struttura muscolo scheletrico enna, Appunti di Biochimica

Scarica struttura muscolo scheletrico enna e più Appunti in PDF di Biochimica solo su Docsity! 1. Tessuto muscolare Roberta Garozzo e Daniele Condorelli 1.1 Il tessuto muscolare Esistono tre tipi morfologicamente distinti di tessuto muscolare: o tessuto muscolare striato o scheletrico o tessuto muscolare cardiaco o tessuto muscolare liscio Il tessuto muscolare striato o scheletrico è quel tipo di tessuto che rende possibile l'esecuzione di tutti i movimenti volontari del nostro corpo, per tale motivo è anche definito volontario. L’unità costitutiva del tessuto muscolare striato è la fibrocellula muscolare, di forma cilindrica e molto allungata. In realtà si tratta di un sincizio (più cellule fuse fra loro) che al microscopio appare come un tessuto le cui cellule sembrano così possedere più nuclei (cellule multinucleate). Il sincizio permette alle cellule muscolari scheletriche di comunicare fra loro alla massima velocità e con ottima precisione. Caratteristiche morfologiche principali: > cellule allungate e fusiformi >» molti nuclei periferici » striature evidenti » volontario Muscolo Tio Muscolo scheletrico 300 X cardiaco 400 X nuclei Muscolo liscio ' 1200 X nucleo nucleo Fig. 1 differenze istologiche fra i tre tipi di tessuto muscolare (da Adam Intphys-muscular) Il tessuto muscolare cardiaco o miocardio può essere considerato come una forma specializzata di muscolatura striata, che si contrae in modo involontario e ripetitivo. Nel tessuto muscolare cardiaco le cellule che lo costituiscono non sono multinucleate, quindi non si può parlare di un vero e proprio sincizio, ma di un sincizio funzionale: le cellule muscolari cardiache comunicano tra loro attraverso dei canalicoli comunicanti (giunzioni comunicanti), che consentono una rapida propagazione dell’onda di depolarizzazione. Caratteristiche morfologiche principali: >» singolo nucleo centrale » evidenti striature » involontario Il tessuto muscolare liscio o involontario, circonda gli organi interni che sono dotati di contrazione involontaria, come i vasi sanguigni, lo stomaco, l’intestino, la cistifellea etc.. Tali organi interni sono sotto il controllo del sistema nervoso vegetativo (simpatico e parasimpatico). Anche nel tessuto muscolare liscio le fibrocellule formano un sincizio funzionale, condizione che consente un’ efficace propagazione dell’impulso nervoso; rispetto a quello striato, il tessuto muscolare liscio si contrae molto più lentamente ma per un tempo più prolungato. Caratteristiche morfologiche principali: > cellule fusiformi » singolo nucleo disposto in posizione centrale > poche striature visibili » involontario 1.2. Organizzazione strutturale del tessuto muscolare striato Il muscolo striato presenta una precisa organizzazione gerarchica: ognuno dei circa 660 muscoli del corpo umano è circondato da tessuto connettivo che prende il nome di epimisio. Questo si continua agli estremi del ventre muscolare nel tendine, che si attacca nel punto di intersezione dell’osso fondendosi con lo strato superficiale che ricopre l’osso stesso (il periostio). L’aggancio tra tendine ed osso è estremamente solido e nel punto di inserzione si verifica un ispessimento del tessuto osseo che viene denominato tuberosità o tubercolo di inserzione. All’interno del ventre muscolare è possibile osservare i fasci di fibre o fascicoli, circondati da tessuto connettivo che prende il nome di perimisio: i fasci di fibre sono formati dall’unione di circa 150 fibrocellule muscolari. Le fibrocellule (o fibre) muscolari sono contenute quindi all’interno dei fascicoli e anche queste sono circondate da tessuto connettivo, 1’ endomisio. Nelle fibrocellule muscolari il citoplasma, detto sarcoplasma", ha una composizione del tutto ! Nel tessuto muscolare, le strutture cellulari sono precedute dal prefisso sarc- (sarx in greco significa carne). A) <— Catene leggere Catene pesanti _——___ O) Porzione globulare Porzione fibrosa Î i Tripsina le E) O MM >) (es) Papaina <—— È IZ © Fig. 3 Struttura schematizzata della molecola di miosina: sono evidenziati i punti di attacco idrolitico enzimatico: la tripsina suddivide la coda della molecola in due parti, meromiosina leggera (LMM) e pesante (HMM); la papaina scinde la catena pesante nelle subunità S2 e SI(le teste) alle quali rimangono ancorate le catene leggere della miosina. B) Filamento spesso formato dall’aggregazione di molecole di miosina. C) Filamento sottile (F-actina) formato dall’aggregazione di molecole di G-actina; D) Tropomiosina; E) Le tre subunità della molecola di troponina; F) Interazione tra F-actina, tropomiosina e troponina. miosina a formare dei grossi filamenti da cui sporgono le porzioni globulari. Un filamento spesso è composto da circa 400 molecole di miosina unite in un fascio dal quale sporgono ad intervalli regolari le coppie di teste responsabili dei legami crociati con i filamenti sottili durante la contrazione. (Fig 3B) Le teste, con le catene leggere attaccate, hanno una forte tendenza a legare molecole di actina. In presenza di actina, le molecole di miosina (i frammenti S1) possiedono attività ATPasica e l’idrolisi dell'ATP rompe il legame tra actina e miosina. Actina L’actina è formata da monomeri di forma sferica, la G actina (actina globulare), di massa molecolare di 42 kDa. In presenza di ioni Mg'**, più monomeri di G actina si legano fra loro dando vita alla F actina (actina fibrosa) di forma filamentosa ad elica. Ogni monomero di G actina può legare una molecola di ATP o di ADP. ( Fig. 3C) La sovrapposizione ad andamento elicoidale dei monomeri conferisce alla fibra di actina l’aspetto di due fili di perle avvolti l’uno sull’altro. È stata individuata una proteina con funzione di stabilizzazione, la alfa-actinina, localizzata in prossimità della banda Z, il cui ruolo sarebbe quello di mantenere le molecole di actina spaziate tra loro. Tropomiosina La tropomiosina è costituita da due subunità differenti tra loro (alfa e beta), che si avvolgono a spirale lungo la catena di F actina, nei solchi dell’elica. In condizioni di riposo è disposta in modo tale da coprire i siti di legame dell’actina per la miosina e ogni molecola di tropomiosina interagisce con 7 monomeri di actina. (Fig. 3D/F) Troponina La troponina interagisce con la tropomiosina, localizzandosi a circa 2/3 della sua lunghezza (ogni 7 sfere di G actina); essa è una molecola di 76 kDa, formata da 3 proteine globulari o subunità, che prendono nome dalla funzione che svolgono: = TnT, si lega alla tropomiosina; = Tn-I, inibisce l’interazione tra actina e miosina, impedendo l’attivazione ATPasica della miosina in presenza di actina. = Tn-C, ha un’elevata affinità per gli ioni calcio: presenta infatti un’elevata omologia in sequenza con la calmodulina e possiede quattro siti di legame per gli ioni calcio. 1.3.2 Altre proteine con funzione strutturale All’interno del sarcomero sono presenti altre proteine che svolgono un importante funzione strutturale, garantendo il corretto assemblaggio delle proteine contrattili e la corretta conformazione del sarcomero. La titina è la più grossa proteina conosciuta negli esseri umani (3,7 MDa), ed è disposta parallelamente ai filamenti di < ctina e miosina, per tutta la lunghezza del sarcomero. L’estremità N-terminale della molecola si ancora nella linea Z, mentre l’ estremità carbossilica arriva fino al centro del sarcomero, nella linea M. Tra tutte le proteine con funzione strutturale, la titina svolge un ruolo principale nell’assemblaggio e nell’allineamento dei filamenti contrattili, così come nel mantenimento dell'integrità della fibrocellula, proteggendo il sarcomero da un eccessivo allungamento. Un’altra proteina ‘gigante’ è la nebulina la cui funzione sembra essere quella di regolare la lunghezza dei filamenti di actina anche se potrebbe essere coinvolta nella regolazione della contrazione muscolare e nella generazione della forza contrattile delle miofibrille. Mutazioni a carico di questa proteina sono associate alla comparsa di miopatie. Un'altra proteina che aiuta la titina nel mantenere il corretto posizionamento dei filamenti spessi è la miomesina, una proteina contenuta nella linea M. Essa forma dei dimeri (due molecole di miomesina antiparallele) che ancorano i filamenti di miosina alla linea M. L’alfa-actinina è una proteina che lega l’actina, localizzata nella banda Z, dove forma una struttura reticolare che aiuta ad ancorare i filamenti di actina. Appartiene alla superfamiglia delle spectrine, che comprende anche la distrofina, e nell’uomo sono state caratterizzate almeno 4 diverse isoforme. Tra queste, l’isoforma 3 è espressa prevalentemente nelle fibre veloci di tipo II e circa il 18% della popolazione non esprime questa proteina a causa di una mutazione del gene che ha inserito un codone di stop anticipato. Evidenze sperimentali supportano una forte correlazione positiva tra espressione di questa proteina e performance di velocisti. 1.4 Propagazione dell’impulso nervoso L’impulso nervoso giunge al muscolo effettore attraverso i motoneuroni. Nel muscolo, l’assone del motoneurone si suddivide in più rami nervosi ognuno dei quali si collegherà con una singola fibrocellula per mezzo di una giunzione neuromuscolare (un tipo specializzato di sinapsi). La sinapsi è composta da tre elementi: 1. Terminale assonico (porzione presinaptica — bottone); 2. Vallo (fessura) sinaptica; 3. Porzione post sinaptica (placca neuromuscolare). Quando l’impulso nervoso giunge nel terminale assonico vengono rilasciati nella fessura sinaptica i neurotrasmettitori responsabili della propagazione del segnale: nel caso della placca neuromuscolare, vengono rilasciate molecole di acetilcolina (ACh). L’ACh è un neurotrasmettitore sintetizzato a partire dalla colina e dall’acetil-CoA dall’enzima colina acetil transferasi (CRAT), prodotto di un gene specifico espresso nei neuroni. Q HS-CoA o Il Il H,C-C—S—C0A + HO-CH,CH,MCH), l— H,C-C—0O—CH,CH,N(CH;), colina-acetil acetil-CoA colina translerasi acetilcolina Î Î H,C-C—0-CH,CH,N(CH,);+ H,O HC-C—O + HO—CH,CH,N(CH,); 4 Hî acetilcolina esterasi acetilcolina acetato colina Nella membrana della cellula muscolare scheletrica sono presenti appositi recettori che riconoscono l’ACh: l’interazione recettore-ligando determina la propagazione dell’impulso all’interno della fibrocellula muscolare. Il recettore della sinapsi neuro muscolare è un recettore ionoforo o ionotropico (canale) di tipo nicotinico. Quando questo recettore viene attivato dall’interazione con l’acetilcolina, il canale viene aperto e si determina un selettivo passaggio di ioni dallo spazio extracellulare a quello intracellulare e viceversa: si ha l’ingresso di ioni sodio e, in percentuale minore, una fuoriuscita di ioni potassio; questo evento determina la depolarizzazione della placca neuromuscolare. (Fig. 7 = Rilascio degli ioni calcio dalle cisterne del reticolo sarcoplasmatico Com'è noto, le cisterne contengono elevate concentrazioni di ioni Ca**. Quando l’onda di depolarizzazione giunge attraverso i tubuli T alle cisterne, si aprono i canali per il calcio localizzati nella membrana del reticolo sarcoplasmatico, determinando un rilascio di ioni calcio nel citoplasma e quindi un aumento della loro concentrazione citosolica (da 107 Ma riposo a 10° 5 M). Gli ioni calcio si legano alla subunità TnC della troponina innescando una serie di modificazioni strutturali che portano allo slittamento delle molecole di tropomiosina, evento che determina la liberazione dei siti di legame dell’actina per la miosina. (Fig. 7B) =» Legame dell’actina con la miosina Secondo la teoria attualmente accettata, le teste della miosina prendono parte a un ciclo ripetuto di formazione e rottura di ponti trasversali (cross bridge) con le molecole di actina adiacenti. Il rilascio degli ioni calcio dalle cisterne determina inoltre l'attivazione della capacità enzimatica ATPasica delle teste della miosina. Il primo evento è dunque l’idrolisi di una molecola di ATP da parte delle teste della miosina: l’energia liberata da questa reazione fa assumere alla miosina una conformazione ad alta energia, nella quale rimane legata all’ADP + P;. Le molecole di miosina subiscono una modificazione strutturale a livello del primo snodo, avvicinando così le teste alle molecole di actina; a questo punto le teste della miosina si legano all’actina (legame acto-miosinico). (Fig. 7B) = Colpo di forza (power stroke) delle teste della miosina e scorrimento dei filamenti di actina In seguito al rilascio del Pi, si determina una transizione conformazionale della miosina che provoca un movimento orizzontale delle teste rispetto alla coda (II snodo) e tale movimento trascina il filamento sottile verso il centro del sarcomero (verso la linea M). Questo movimento è chiamato power stroke (colpo di forza). L’energia chimica dell'ATP è trasformata, in questa fase, in energia meccanica della contrazione. (Fig. 7C) =» Legamedi una nuova molecola di ATP Il rilascio dell’ADP seguito dal legame di una nuova molecola di ATP determina il distacco delle teste della miosina dall’actina e il ritorno alle condizioni conformazionali proteiche di partenza. (Fig. 7D-E) Ci troviamo così nelle condizioni iniziali e solo l’idrolisi della nuova molecola di ATP potrà iniziare un nuovo ciclo di attacco all’actina, power stroke e distacco. La conformazione della miosina con ATP legato ha un’affinità per l’actina che è 1/10.000 di quella della miosina senza ATP. staccano Durante la contrazione muscolare le varie teste della miosina non si attaccano e si simultaneamente, ma in successione in modo da evitare che le molecole di actina possano scivolare indietro. = Trasporto degli ioni calcio all’interno delle cisterne sarcoplasmatiche Nel momento in cui cessa la stimolazione del motoneurone, la concentrazione citosolica di calcio diminuisce e si instaura l’azione inibitoria del complesso tropomiosina-troponina sul legame actomiosinico. Il calcio rientra rapidamente nelle cisterne attraverso un sistema di trasporto attivo reso possibile dalla presenza di trasportatori per il calcio ATP-dipendenti (pompe per il calcio). ISF è Mare ® e? 1 ll snodo B) è è ADP +Pi E) n O ERRATA ==@& , N ° n° YERRAILAN ATP “ N op Fig. 7 A) Complesso troponina-tropomiosina disposto sopra i siti di legame dell’actina; B) rilascio ioni calcio@, legame del calcio con la troponina-C, slittamento del complesso troponina-tropomiosina, liberazione dei siti di legame dell’actina, attivazione dell’attività ATP-asica delle teste della miosina e formazione del cross bridge; C) Rilascio del Pi e power stroke a livello del 2° snodo; D-E) Legame di una nuova molecola di ATP e ritorno alla conformazione iniziale. 1.6 Tipologia delle fibre muscolari I muscoli striati possono essere cle ificati in due categorie: muscoli rossi che svolgono lavori continui e lenti e muscoli bianchi utilizzati in lavori rapidi e di potenza. Tale suddivisione è basata sulla composizione prevalente di fibrocellule del ventre muscolare: esistono infatti e fibre lente (rosse, di tipo I, slow oxidative, SO) e fibre rapide (bianche, di tipo II, Fast Glycolytic, FG). I muscoli scheletrici dell’uomo contengono fibre di tutti i tipi, ma in proporzioni diverse. Le fibre lente, di tipo I, provvedono alla risintesi dell'ATP prevalentemente per via aerobica, ovvero dalla fosforilazione ossidativa mitocondriale. Esse hanno un elevato numero di mitocondri e un’alta concentrazione citoplasmatica di mioglobina, sono inoltre altamente vascolarizzate. La presenza del ferro nelle molecole costituenti la mioglobina e nei coenzimi 12 Le diverse caratteristiche contrattili delle fibre di tipo I e II sono anche determinate dall’esistenza di diverse isoforme della catena pesante della miosina (Myosin Heavy Chain, MHC). Nell’uomo esistono tre isoforme della MHC: tipo I, Ila e IIx che corrispondono ai tipi istochimici di fibre denominati tipo I, Ila e Ilb. La maggior parte delle fibre muscolari contiene solo una isoforma ma è stato dimostrato che circa il 30% delle fibre muscolari può presentare la co-espressione di più isoforme MHC (fibre ibride) e la loro proporzione è influenzata dall’età e dall’esercizio. Tab. 1: Proporzione dei diversi tipi di fibre in base alla caratterizzazione biochimica delle diverse isoforme di MHC nel muscolo vasto laterale di giovani donne Totale fibre I IMIa IMalIx Ila Ia/Ix Ix cri ibride 37.3+4.0 7.7+2.5 2.0+1.0 28.9+ 4.4 21.4+3.4 2.7+0,3 31.1+2.1 (dati da Williamson DL, Gallagher PM, Carroll CC, Raue U, Trappe SW.J Appl Physiol. 2001 Nov;91(5):1955-61.Reduction in hybrid single muscle fiber proportions with resistance training in humans) 1.7 Sviluppo del muscolo scheletrico Tra la terza e la quarta settimana di vita embrionale l’embrione ha già acquisito la tipica struttura a tre foglietti (ectoderma, mesoderma, ed endoderma) da cui si svilupperanno tutti i tessuti ed organi del nuovo individuo. Nel corso della 4 settimana il mesoderma si è organizzato in una serie longitudinale di masserelle paras iali (cioè disposte ai lati della notocorda) chimate somiti. La parte ventrale del somite, chiamata sclerotomo, formerà gli elementi cartilaginei ed ossei della colonna vertebrale e delle costole, mentre la parte dorsale, il dermomiotomo, formerà il derma del dorso e i muscoli scheletrici del tronco e degli arti. Per formare i muscoli degli arti le cellule progenitrici (mioblasti) si staccano dal dermomiotomo (fase della delaminazione) e migrano negli abozzi degli arti. In questa sede vanno incontro a una prima fase di intensa proliferazione, in seguito si allineano e si fondono lungo il loro asse maggiore formando le prime strutture cellulari allungate multinucleate chiamate miotubi primari. Queste cellule hanno ancora i nuclei localizzati in posizione centrale ma la progressiva sintesi di proteine miofibrillari spinge i nuclei nella posizione definitiva subsarcolemmatica trasormando i miotubi in miofibre primarie. Alcuni mioblasti, rimasti quiescenti, andranno incontro successivamente a una seconda fase proliferativa (mioblasti secondari) e formeranno i miotubi e le miofibre secondarie. A questo punto dello sviluppo embrionale il numero di fibrocellule muscolari è determinato e il resto della crescita della massa muscolare, in fase fetale tardiva e in fase post- natale, è dovuto ad un fenomeno di proliferazione di mioblasti (cellule satelliti) e fusione di questi alle fibrocellule pre-esistenti (crescita per apposizione). Le cellule satelliti, che partecipano alla fase di crescita della massa muscolare post-natale, sono 15 piccole cellule fusiformi mononucleate localizzate tra la lamina basale e il sarcolemma delle fibrocellule muscolari striate. Nell’individuo adulto sono quiescenti, ma possono essere attivate durante la fase di rigenerazione muscolare che segue un danno meccanico al muscolo. In queste condizioni migrano, proliferano e poi si fondono con le fibrocellule muscolari per riparare il danno. È stato recentemente stabilito che il numero di fibrocellule muscolari e la loro dimensione è sotto il controllo di proteine segnale secrete dal muscolo scheletrico. La miostatina, un membro della superfamiglia del Fattore di Crescita Trasformante beta (TGF beta), esercita un controllo negativo sulla massa muscolare, cioè limita lo sviluppo dei muscoli. Una mutazione sperimentale che inattiva il gene della miostatina raddoppia la massa muscolare dei topi ed è stato dimostrato che alcune razze bovine caratterizzate da ipertrofia/iperplasia della muscolatura scheletrica possiedono lo stesso tipo di mutazione. La miostatina umana è una proteina formata da due subunità identiche di 109 aminoacidi ciascuna. Nel 2004 è stato riportato il caso di un bambino con ipertrofia muscolare che presentava una mutazione inattivante in ambedue le copie del gene della miostatina. Sua madre, una atleta professionista, presentava la mutazione in una sola copia genica. 1.8 Fonti energetiche della contrazione muscolare Possiamo distinguere i meccanismi di sintesi di ATP per la contrazione muscolare in tre classi principali: meccanismi anaerobici alattacidi meccanismi anaerobici lattacidi meccanismi aerobici La prevalenza di uno di questi meccanismi sugli altri dipende essenzialmente dal tipo di muscolo scheletrico interessato e dalla qualità di lavoro svolto.