Appunti sul tessuto muscolare

Tessuto muscolare

Il tessuto muscolare è un tessuto altamente specializzato e diversificato nello svolgere un elevato numero di funzioni. Il muscolo è infatti quel tessuto che si occupa di mantenere la postura, di permettere i movimenti, di svuotare la vescica, la propulsione del sangue nei vasi sanguigni e molto altro.

Per svolgere funzioni così altamente differenziate e diversificate, il tessuto muscolare è altamente suddiviso e differenziato in diverse tipologie che si diversificano tra di loro non soltanto per localizzazione e struttura ma anche per tipo di controllo.

Localizzazione del tessuto muscolare

Da un punto di vista della localizzazione si distingue:

• Muscolo scheletrico rappresentato dalla muscolatura attaccata allo scheletro.
• Muscolo cardiaco che costituisce unicamente la massa del cuore.
• Muscolo liscio o viscerale che costituisce le pareti degli organi interni.

Qualunque sia il tipo di muscolo, in generale, il tessuto muscolare è costituito da cellule contrattili la cui funzione d'organo è quella di contrarsi. "Contrazione" significa sviluppo di forza e accorciamento. Non in tutte le condizioni il muscolo che sviluppa forza è in grado di contrarsi. Per contrazione si intende quindi sviluppo di forza e successivo rilasciamento.

Quando i muscoli si stanno stirando, seguono un processo di tipo passivo dovuto all'allungamento delle componenti che costituiscono i muscoli stessi. La risposta attiva del muscolo è invece la contrazione.

Tipi di cellule muscolari

Tutte le cellule muscolari, di qualunque tipo siano, sono cellule eccitabili, ovvero cellule che presentano un potenziale di membrana a riposo stabile o instabile e che sono in grado di rispondere ad uno stimolo esterno generando un segnale attivo, un potenziale di azione (PdA). Nel caso della fibra muscolare, dopo il PdA, segue la risposta funzionale, che è appunto la contrazione.

Classificazione per struttura

I muscoli si classificano per struttura. I muscoli scheletrico e cardiaco sono muscoli striati perché presentano al microscopio ottico le caratteristiche striature dovute alla regolare organizzazione dei sarcomeri. Al contrario, il muscolo liscio è privo di striature.

Controllo dei muscoli

Da un punto di vista del controllo, i muscoli vengono classificati in volontari e involontari. Il muscolo scheletrico, che è un muscolo striato, è un muscolo in grado di effettuare contrazioni di tipo riflesso e quindi contrazioni involontarie ma la maggior parte di esse sono invece di tipo volontario.

In generale, le contrazioni della muscolatura scheletrica, sia di tipo riflesso che strettamente volontarie, sono dovute alla stimolazione da parte di motoneuroni localizzati a livello della sostanza grigia delle corna ventrali del midollo spinale e dei nuclei motori dei nervi cranici. Esempi di contrazioni involontarie di tipo riflesso del muscolo scheletrico sono la contrazione del diaframma e il mantenimento della postura eretta. Una contrazione generalizzata della muscolatura scheletrica involontaria è, ad esempio, il brivido oppure la contrazione innescata dal colpo con il martelletto sul ginocchio.

La distinzione tra volontario e involontario risiede nella branca del sistema nervoso che controlla un certo tipo di muscolatura. I muscoli involontari sono controllati dal SNA mentre i muscoli volontari sono invece sotto il controllo del sistema nervoso somatico.

Muscoli involontari sono invece il cardiaco e il liscio. I muscoli involontari sono sotto il controllo antagonista delle due branche del SNA, ovvero il sistema ortosimpatico e il parasimpatico. Il muscolo cardiaco in più è un muscolo in grado di contrarsi anche in maniera indipendente dalla stimolazione nervosa. Ciò significa che il muscolo cardiaco è un muscolo autoritmico in cui i PdA che determineranno poi la contrazione nascono spontaneamente nel muscolo cardiaco senza che ci sia stato bisogno di una stimolazione né di sinapsi da parte del SNA, che tuttavia ha un'azione di controllo fondamentale sulla regolazione del funzionamento del cuore.

I muscoli lisci o viscerali sono anch'essi involontari e quindi sotto il controllo del SNA. Nella loro attività sono modulati anche dal sistema endocrino. Alcuni muscoli lisci sono autoritmici.

Il muscolo scheletrico

Le caratteristiche fondamentali del muscolo scheletrico sono:

• Si tratta di un muscolo striato.
• È responsabile di movimenti riflessi e volontari.
• Costituisce circa il 40-50% del peso corporeo nell'adulto.
• Circa 660 muscoli nel corpo umano.
• È inserito sulle ossa dello scheletro tramite i tendini (con varie eccezioni come ad esempio tutti i muscoli della mimica facciale che sono attaccati a cartilagini e connettivi oppure gli sfinteri, la lingua, la quale è attaccata ad un solo capo).
• Responsabile della postura e del movimento dei vari segmenti ossei dello scheletro.
• Fondamentale nella respirazione e nella regolazione di funzioni viscerali fondamentali come ad esempio la defecazione e la minzione.
• Si tratta di un motore biologico, in quanto le cellule muscoli sono in grado di trasformare una forma di energia e in particolare l'energia chimica dell'ATP in energia meccanica. Attraverso l'idrolisi dell'ATP, sono quindi in grado di sviluppare una forza e compiere lavoro.
• Non è in grado di sviluppare completamente una forma di energia in un'altra. In questa trasformazione parte dell'energia viene infatti persa in calore e tale perdita di calore rappresenta una delle funzioni biologiche del muscolo scheletrico in quanto questo calore disperso è necessario per la termoregolazione. Mentre i muscoli si contraggono, sviluppano forza, ma in questa trasformazione di energia si sviluppa anche calore che contribuisce alla regolazione centrale della temperatura corporea.

Le fibre muscolari scheletriche si formano nell'embrione dei vertebrati dalla fusione di cellule precursore i mioblasti. I mioblasti sono cellule embrionali di origine mesodermica che in fase molto precoce dello sviluppo sono indirizzate ("determinate") al programma di differenziamento del tessuto muscolare. Nella formazione della fibra muscolare, data dalla fusione di mioblasti, alcuni di essi rimangono nel muscolo sotto forma di cellule staminali quiescenti. Una fibra muscolare scheletrica è una cellula multinucleata, formata quindi da molti nuclei. Interposte tra la lamina basale e il sarcolemma della fibra sono presenti piccole cellule mononucleate, che altro non sono che cellule satelliti. Queste sono cellule staminali vere e proprie della fibra muscolare e svolgono le seguenti funzioni:

• Crescita postnatale del muscolo.
• Rinnovamento e riparazione cellulare.
• Ipertrofia muscolare in seguito a danno.

Quando una fibra muscolare va incontro ad un danno/trauma, questa ha una certa capacità rigenerativa, anche se non altissima. Questa capacità viene fornita proprio dalla presenza di cellule satelliti che funzionano come cellule staminali e sono in grado di riparare il danno. I fenomeni a cui si può andare incontro sono l'ipertrofia e l'iperplasia. Si parla di ipertrofia in tutti quei casi in cui la massa di un muscolo aumenta perché aumenta la sezione della singola fibra muscolare. Si parla invece di iperplasia quando aumenta il numero delle fibre, ovvero quando i mioblasti si fondono a formare nuove fibre muscolari.

Osservando un muscolo scheletrico, è possibile riconoscere tutte le varie guaine connettivali da cui esso è formato fino ad arrivare alla sottile guaina connettivale che prende il nome di endomisio, la quale riveste la singola fibra muscolare. La fibra muscolare è una cellula multinucleata delimitata da una membrana che prende il nome di sarcolemma e lamina basale. Presentano una forma allungata e un diametro variabile che va dai 20 ai 100 μm. Anche la lunghezza è estremamente variabile e alcune fibre possono arrivare ad una lunghezza anche di alcuni cm in quanto esse si estendono per tutta la lunghezza del muscolo. Le fibre muscolari sono disposte in parallelo tra loro e presentano striature trasversali per tutta la lunghezza. Al loro interno, lungo l'asse della fibra, sono costituite da centinaia o migliaia di miofibrille disposte in parallelo le une con le altre.

Le miofibrille sono strutture cilindriche di circa un micron di diametro, che si estendono per tutta la lunghezza della fibra e occupano la maggior parte, circa l'80%, del citoplasma. Le miofibrille costituiscono la componente contrattile di una fibra muscolare. Il resto dello spazio presente tra le miofibrille è occupato dal reticolo sarcoplasmatico, dai mitocondri, dai granuli di glicogeno. Ogni miofibrilla è formata da sarcomeri disposti in serie tra loro lungo la miofibrilla e in parallelo gli uni con gli altri tra le miofibrille.

Il sarcomero è l'unità anatomico-funzionale del muscolo, cioè la più piccola struttura muscolare che da sola è in grado di sviluppare forza ed accorciarsi. Un sarcomero è delimitato da due linee Z e presenta una banda scura al centro che prende il nome di banda A. All'interno della banda A è presente a sua volta una banda più chiara denominata banda H con al centro una linea scura detta linea M. Ai lati della banda A troviamo due bande più chiare, ovvero le semi-bande I.

Riassumendo quindi, all'interno di un sarcomero, delimitato da due linee Z, troviamo una banda scura, la banda A, e due semi-bande chiare, semi-bande I. Una banda chiara si trova a cavallo della linea Z. La presenza di bande chiare e scure dipende dalla sovrapposizione o meno di due diversi tipi di filamenti. Ogni sarcomero è costituito da filamenti spessi di miosina e da filamenti sottili di actina. All'interno della banda A, scura, abbiamo la sovrapposizione tra i filamenti spessi e i filamenti sottili. A livello delle semi-bande I abbiamo la sola presenza di filamenti sottili. A livello della banda H sono invece presenti unicamente filamenti spessi. Quanto appena descritto è quello che appare in seguito ad una sezione longitudinale della fibra.

Esiste un'organizzazione strutturale mirabile che parte dalla fibra muscolare, prosegue con la miofibrilla, con il sarcomero fino ad arrivare all'interno del sarcomero stesso, dove le strutture sono organizzate quasi come un cristallo sia in direzione longitudinale che trasversale. La struttura è in grado già di per sé di spiegare la funzione.

I miofilamenti sono spessi quando sono costituiti solo da miosina e sottili quando invece sono costituiti prevalentemente da actina e in particolare da due catene di F-actina. Sui filamenti sottili sono presenti anche due proteine regolatorie, la troponina e la tropomiosina.

All'interno del sarcomero possiamo quindi distinguere:

• Proteine contrattili come actina e miosina.
• Proteine regolatrici come troponina e tropomiosina (filamenti sottili).
• Proteine strutturali come titina, nebulina, proteina C, distrofina, miomesina, α-actinina.

Il filamento sottile è costituito prevalentemente da actina. Ogni monomero di G-actina polimerizza a formare un filamento di F-actina. Le proteine regolatrici si trovano in rapporto 7:1:1 e ciò significa che per ogni sette monomeri di G-actina troviamo una tropomiosina e una troponina. È proprio l'organizzazione di queste proteine che ci spiega il meccanismo della contrazione.

La miosina presenta invece due teste, su ognuna delle quali sono presenti due identici siti: un sito necessario a legare l'actina e un sito per idrolizzare l'ATP. Ciò significa che le due teste di miosina sono identiche e svolgono la stessa funzione. La seconda testa è di riserva e non è ben noto ancora la sua funzione, se non quella di riserva.

Al centro del sarcomero troviamo una zona nuda dove non sono presenti le teste della miosina. La miosina, avendo capacità di idrolizzare l'ATP, è un enzima appartenente alla classe delle ATPasi. L'idrolisi di ATP avviene con controllo allosterico da parte dell'actina. La miosina è una proteina a struttura quaternaria costituita da 6 catene, due catene pesanti (MHC) e quattro catene leggere (MLC). Possiamo distinguere una testa, dove troviamo i due siti di legame, e una coda che rappresenta il filamento stesso.

Nell'uomo sono presenti diverse isoforme di miosina e da queste diverse isoforme dipendono le diverse velocità di contrazione di una fibra muscolare e le diverse caratteristiche di muscolo. Esistono infatti muscoli veloci e muscoli lenti. Questo dipende dalla diversa espressione dalle varie isoforme di miosina. In particolare, le fibre di tipo I sono le fibre lente, rosse e ossidative mentre le fibre di tipo IIa e IIx sono quelle più veloci, che idrolizzano più rapidamente l'ATP e che sono in grado quindi di contrarsi più velocemente.

Il meccanismo della contrazione consiste nell'interazione tra le teste della miosina e i monomeri di actina. Questo meccanismo è stato altamente studiato con tecniche molto sofisticate che permettono di studiare il motore di miosina come i test di motilità in vitro oppure tecniche con trappola ottica che consentono di misurare precisamente la forza sviluppata da un singolo legame acto-miosinico.

All'interno del sarcomero numerose teste di miosina interagiscono con i monomeri di actina per portare allo sviluppo di forza del muscolo e accorciamento del muscolo nel suo insieme.

Una proteina comune è la distrofina, la cui disfunzione comporta una grave patologia su base genetica denominata Distrofia muscolare di Duchenne. La distrofina è una proteina di collegamento tra l'apparato contrattile e il sarcolemma, necessaria per mantenere l'integrità del meccanismo contrattile. Nella distrofia di Duchenne abbiamo una quasi totale assenza della distrofina e questo porta a degenerazione del tessuto muscolare, alla progressiva ipotonia e riduzione delle abilità motorie.

Meccanismo contrattile

Vediamo adesso il meccanismo contrattile. In queste immagini al microscopio elettronico è possibile osservare un sarcomero a riposo (in alto) e un sarcomero contratto. Il microscopio elettronico rappresenta la prova strutturale diretta della validità della teoria dello scorrimento dei miofilamenti. Nel sarcomero contratto le due linee Z si sono avvicinate e la lunghezza del sarcomero si è ridotta come anche quella delle semi-bande I. La lunghezza della banda A rimane invece inalterata.

L'accorciamento del sarcomero non è dovuto all'accorciamento dei filamenti contrattili ma allo scorrimento di questi gli uni sugli altri. In particolare, durante la contrazione, le due linee Z si avvicinano al centro del sarcomero, la banda I si riduce mentre la banda A rimane inalterata e questo è dovuto al fatto che i filamenti sottili scorrono verso il centro del sarcomero, lasciando inalterata la lunghezza della banda A. La lettera "A" sta per anisotropa mentre "I" per isotropa. Non cambia quindi la lunghezza dei miofilamenti ma avviene lo scorrimento dei filamenti sottili sui filamenti spessi.

Ogni testa della miosina lega un monomero di G-actina. Ogni filamento di miosina riesce a legarsi a sei filamenti di actina che lo circondano. I legami actina-miosina costituiscono i ponti trasversali o crossbridges. I legami acto-miosinici sono i motori molecolari per la generazione di forza. Ciò che determina la forza è infatti il legame tra l'actina e la miosina. Più legami acto-miosinici si formano e maggiore è la forza generata da un sarcomero.

Lo scorrimento e l'accorciamento sono prodotti dall'azione ciclica delle teste di miosina che si attaccano e distaccano dai siti attivi sui filamenti di actina. Da questo concetto è stata sviluppata la "teoria dei crossbridges". Ad ogni interazione della testa di miosina con un monomero di miosina avviene un cambiamento conformazionale che consente la rotazione e quindi poi lo scorrimento. Ad ogni interazione con il filamento di actina, nella testa della miosina avviene una modifica strutturale che dà origine al power stroke. Il power stroke consiste proprio in una rotazione della testa della miosina che permette poi lo scorrimento, con conseguente accorciamento del sarcomero, della miofibrilla, della fibra e conseguentemente del muscolo.

In seguito all'idrolisi dell'ATP ad opera dalla testa della miosina, avviene una rotazione della testa che consente lo scorrimento del filamento sottile verso il centro del sarcomero. Ogni testa della miosina è in grado di compiere molti cicli di interazione, per ognuno dei quali si consuma una molecola di ATP. Per ogni singolo legame acto-miosinico si utilizza una molecola di ATP.

Esistono moltissimi motori molecolari. Abbiamo infatti 300 molecole di miosina per ogni filamento spesso e questo comporta quindi un numero di teste pari a 600.

Vediamo adesso il ciclo meccano-chimico dei crossbridges. La testa della miosina è una ATPasi quindi presenta legato un ATP. Essendo una ATPasi, l'ATP viene idrolizzato e questo avviene più o meno velocemente a seconda dell'isoforma di miosina presente. I prodotti di idrolisi dell'ATP sono ADP e P. La testa di miosina si trova in uno stato rilasciato energizzato ed è avvenuta l'idrolisi dell'ATP. La testa di miosina è legata al monomero di actina e si forma il complesso acto-miosinico, senza però che ci sia sviluppo di forza. Lo sviluppo di forza si ha nel momento in cui la testa di miosina comincia a perdere i prodotti di idrolisi. Prima si stacca il P e questo determina un cambiamento conformazionale. Il cambiamento conformazionale correlato alla perdita del fosfato è ritenuto il passo principale per lo sviluppo di forza. La testa ruota ma quando ancora il passaggio non è stato del tutto completato, avviene anche il distacco dell'ADP.