Biochimica dell’esercizio fisico: meccanismi di contrazione e adattamento ad allenamento

Biochimica dell’esercizio fisico

Il tessuto muscolare può essere classificato in:

-​ liscio e cardiaco→ deputati al movimento involontario

-​ scheletrico→ movimento volontario

Esso ha 4 caratteristiche:

-​ contrattilità→ accorciamento del muscolo

-​ estensibilità→ in funzione della forza applicata il muscolo si allunga più

o meno

-​ elasticità→ elastico, applico forza si allunga quando mollo la forza

ritorna come l’inizio, in funzione alla forza si può perdere la

caratteristiche dell’elasticità

-​ eccitabilità→ attraverso stimolo nervoso si induce al fenomeno di

contrazione.

Le cellule muscolari differiscono tra di loro:

-​ striato scheletrico→ allungate, polinucleate, in comune alle cellule striate

cardiache una striatura che identifica più strutture proteiche che

soddisfano le capacità contrattili del muscolo

-​ stiate cardiache

-​ liscie

-​ miopiteliali.

Il tessuto muscolare è un trasduttore biochimico, cioè si converte energia

chimica in energia meccanica/cinetica a differenza del movimento che

sviluppiamo.Esso è in stretta connessione con altre tipologie di cellule, quali

SN, tessuto connettivo, tessuto adiposo e sistema immunitario.

All’interno delle fibre muscolari esistono le cellule satellite, chiamate in causa

nel momento di un trauma essi si attivano per riparare.

Il muscolo scheletrico è il più esteso del corpo umano, 25% dei bambini, 40%

negli adulti, 30% nell’età avanzata.

Il punto di contatto tra osso e muscolo è l'epimisio, protezione più esterna.

Endomisio è quella più interna che è a contatto con le cellule e a contatto con il

sarcolemma.

La singola cellula muscolare si chiama miocita, miofibra o fibrocellule. Essa è

rivestita e divide una parte esterna da quella interna.

Il numero di fibre varia ma troviamo una composizione comune della cellula:

-​ 75% acqua

-​ 20% proteine

-​ 5% sostanze come vitamine, minerali, diversi ioni, aminoacidi,

carboidrati e grassi

Giunzione neuromuscolare→ punto di contatto tra fibra muscolare e il neurone.

No contatto diretto ma presenta uno spazio all’interno dove viene versato il

neurotrasmettitore che verrà poi trasmesso

Bottone sinaptico→ parte terminale del motoneurone che sta innervando la fibra

Placca motrice– sarcolemma del miocita

Sarcolemma→ membrana che abbiamo chiamato membrana citoplasmatica che

identifica lo spazio dentro la cellula, ed è eccitabile.

Sarcoplasma→ tutto ciò all’interno del sarcolemma.

Reticolo sarcoplasmatico→ sostituisce il reticolo endoplasmatico, sistema

membranoso per assolvere al processo di contrazione

Per ogni filamento di miosina ne abbiamo 6 di actina.

Organizzazione del sistema contrattile

Nelle miofibre esistono 3 tipi di proteine:

-​ contrattili (miosina e actina)

-​ regolatrici (troponina e tropomiosina )

-​ strutturali→ servono per permettere al muscolo di mantenere la struttura

nonostante i continui cicli di accorciamento e allungamento

Colacino Teresa Irene

Proteine contrattili

Miosina, proteina che a origine ai filamenti spessi. Nell’uomo esistono diversi

tipi di miosina. Tutte sono correlate a capacità di movimento nel nostro

organismo:

➢​contrazione

di esocitosi→ qualcosa che viene racchiuso in vescicole che

➢​Processo

deve raggiungere in una membrana e si fonde con essa e la fuoriuscita del

contenuto di queste vescicole.

La miosina è un dimero, formato da 2 subunità, che prevede estremità c

terminale e n terminale. Nella n terminale c’è il dominio globulare, chiamata

testa della proteina con 2 funzioni, punto di legame actina miosina e l’attività

atpasica, che libera l’energia per la contrazione. Poi abbiamo la coda dove si

avvolgono a forma di elica i 2 monomeri che formano la miosina. Più miosina si

intrecciano per dare forma a un filamento spesso. Abbiamo 2 regioni flessibili

che ci permettono il movimento, da un parte permettono alla testa di interagire

con l’actina, ma ci permettere anche un movimento di scorrimento per creare la

contrazione.

Se io faccio una sezione verticale vediamo che ciascun filamento spesso

interagisce con 6 filamenti di actina intorno a lui. Trovata la linea che divide

l'emi sarcomero le miosina si organizza per raggiungere la linea z con le teste

rivolte verso la linea z, perchè devono fare un richiamo poi di scorrimento dei

filamenti per permettere la contrazione.

La miosina non è funzionale se non ci sono le catene leggere ( a livello di massa

proteica pesano di meno rispetto alla miosina propriamente detta), sono la

catene leggere essenziale e regolatrice che si posiziona sul collo della miosina

stessa. Ad ognuno di questa ha un ruolo:

più vicino alla coda, assolve a un ruolo fondamentale

➢​regolatrice→

coinvolta nel processo di erogazione della forza, ha dei punti di

fosforilazione che cambia la capacità di proteina di generare contrazione,

questo perché determina una modificazione conformazionale che può

alterare il punto di contatto tra actina e miosina

più vicino alla testa, contribuisce a far ottenere alla testa la

➢​essenziale→

corretta struttura tridimensionale che serve a 2 cose, attaccarsi al

filamento di actina e mantenere al suo interno la molecola di atp.

Colacino Teresa Irene

Actina, è una proteina globulare piccola, tutti i monomeri vanno incontro ad un

processo di polimerizzazione per creare il filamento. Essi partono dal disco z e

si estendono verso il centro del sarcomero.

Actina G → monomero

Actina F→ polimero, filamento

Polimero→ catena di monomeri, generato dal processo di polimerizzazione

I 2 filamenti sottili si uniscono tra di loro per creare l’actina, ma per generare

questa porzione funzionale troviamo anche la tropomiosina e la troponina.

Nella forma tridimensionale presente tasca idrofobica.

Domanda esame→ C’è differenza funzionale tra le 2 atp che vengono raccolte

tra le due proteine contrattili? O hanno la stessa funzione?

Si è presente una differenza: l'atp dell'actina serve per erogare l’energia

necessaria per il processo di polimerizzazione dei monomeri, per la miosina per

creare il punto di forza.

Proteine regolatrici

Le 2 molecole regolatrici, tropomiosina e troponina. La tropomiosina si avvolge

lungo il filamento di actina andando a coprire i punti di contatto tra l'actina e

miosina. Ogni dimero di tropomiosina si estende su 7 monomeri di actina. Le

tropomiosine sono collegate tra di loro e nel punto di contatto (testa coda) tra di

loro abbiamo il complesso della troponina. Si chiama così perché presenti 3

subunità che generano la struttura funzionale:

lega troponina e tropomiosina

➢​Tn-T→

lega la troponina all’actina, inibisce il legame tra miosina e actina

➢​Tn-I→ si legano gli ioni calcio per generare il processo di contrazione.

➢​Tn-C→

Per ciascuna subunità C abbiamo più siti, alcuni occupati altri legati con

il calcio solo quando la concentrazione di calcio è alta. I siti di legame

variano in base al tipo di fibre.

Ci troviamo nel citoplasma dove non c'è tanto calcio, arriva un'ondata di calcio

che satura i siti di legame della subunità C della troponina che cambia la

conformazione, per il quale la subunità I si dissocia e questo ha come secondo

Colacino Teresa Irene

funzione quella di permettere lo spostando la tropomiosina liberando le

interazioni tra actina e miosina permettendo la contrazione.

-​ Ogni filamento si avvolge tra di loro, queste perché questa struttura viene

considerata più resistente.

Molare→ moli in litro, definiamo una concentrazione, quanto soluto ho nel mio

fluido che sto studiando.

Nel citoplasma è contenuto il reticolo sarcoplasmatico, sistema membranoso

che si estende lungo la miofibrilla e serve per stoccare tante quantità di calcio

nella cellula. Il calcio è confinato nel reticolo. Abbiamo un movimento del

calcio che va dal sarcoplasma al citoplasma e dal citoplasma al sarcoplasma.

Prendendo di riferimento il sarcomero, prendo 2 linee z e vedo che

fondamentalmente al livello della banda M i canalini che si formano sono più

una rete, nelle zone adiacenti alla linea M sono più tubuli longitudinali che si

raccolgono nell’interfaccia tra banda A e banda I in quelle che prendono il nome

di cisterne. Quindi questa struttura membranosa è un canale che si estende nella

banda A con conformazioni differenti, ma tutti essi si raccolgono nelle zone di

contatto tra la banda A e la banda I a costituire quelle che sono le cisterne del

reticolo sarcoplasmatico.

Due cisterne adiacenti sono separate dai tubuli T, due cisterne e un tubulo T

formano la cosiddetta triade.

Tubuli T sono delle invaginazioni sottili e profonde del sarcolemma che

comunicano tra lo spazio extracellulare e intracellulare. La loro funzione è

quella di aumentare lo spazio del sarcolemma dislocando in questo modo tutte

le proteine che mi serviranno per far lavorare la cellula, che possono essere

recettori come quelle del glucosio o per avere segnalazioni specifiche per avere

il legame ligando-recettore.

La membrana del tubulo T è ripetutamente per uno spazio molto lungo in

contatto con le cisterne, questo perché l’impulso nervoso darà l'input per la

fuoriuscita del calcio. Colacino Teresa Irene

Proteina strutturale

Proteine strutturali→ mantenimento della struttura del sarcomero.

Troviamo la titina, la proteina più grande e si estende per tutto l'emi sarcomero,

parte dai filamenti spessi e arriva alla linea z dove entra a contatto con i

filamenti di actina, consente l'effetto di molla, di attutire i continui movimenti,

assorbisce le varie tensioni della contrazione. Mutazioni di esse porta

determinate funzionalità carenti della struttura muscolare.

Nebulina, righello molecolare coinvolta nello stabilire quante subunità di actina

devono essere polimerizzate tra di loro per creare i filamenti sottile attivo.

Esistono tante altre proteine legate sia alla linea M sia al disco Z che servono

per stabilizzare i filamenti che sono incardinati su queste parti del sarcomero. A

livello della linea M troviamo la proteina M e la miomesina ( proteina

strutturale) sono proteine con capacità di ancorare i filamenti spessi a livella

della linea M.

A livello di questa linea abbiamo delle proteine con attività enzimatica:

chinasi→ enzima funzionale per sostenere le attività esplosive

➢​creatina

enolasi→ enzima della glicolisi

➢​beta

A livello della linea z troviamo la alfa-actinina, mette in contatto i vari

filamenti sottili. Le sue mutazioni sono predisposizione sportiva del soggetto.

La capacità di mantenere l’integrità del muscolo, pur non danno un fenotipo

patologico, rappresentano una determinata predisposizione dell'individuo per

certi sport.

Proteine di connessione→mettono in connessione la miofibrilla con tutto ciò

che è ambiente extracellulare. Ci deve essere per forza una comunicazione

anche solo meccanica tra l’ambiente extracellulare e l'ambiente intracellulare.

Ci sono proteine transmembrana o proteine esposte solo verso la matrice o solo

vero il citoplasma, ma sono in stretto contatto tra di loro per fare in modo che lo

stress meccanico indotto dall’esercizio arrivi anche a livello della miofibrilla

anche agli organelli coinvolti nella generazione di ATP a livello della miofibra

stessa.

-​ Distrofina→ coinvolta nella strutturazione e nel mantenimento strutturale

del sarcomero, coinvolta nella distrofia muscolare;

Colacino Teresa Irene

-​ Sintrosifina;

-​ Distrobrevina;

-​ Laminina;

-​ Desmina→ avvolge la miofibrilla, si interfaccia anche con gli organelli

coinvolti nella generazione di ATP, come se bloccasse in prossimità di

quella che è la miofibra la centrale di produzione di energia

-​ Integrina

-​ Sarcoglicani

-​ Distroglicani

Meccanismo della contrazione

Insieme delle proteine studiate ci darà la contrazione. Il muscolo da solo però ha

bisogno di un segnale esterno che permette la contrazione. Quindi ricordiamo

che il muscolo è un trasduttore biochimico quindi mi permette di convertire

energia di legame in energia meccanica, questo avviene perché a monte arriva

un impulso nervoso generando il fenomeno dell’accoppiamento

eccitazione-contrazione. Eccitazione perché abbiamo il fenomeno di eccitazione

della membrana cellulare (sarcolemma), che induce come conseguenza il

fenomeno della contrazione propriamente detta.

Abbiamo il terminale nervoso che è il bottone sinaptico, cioè i rami di

terminazione dell’assone del motoneurone, che si interfacciano con porzioni del

sarcolemma. Fondamentalmente la membrana del neurone sinaptico e la

membrana del sarcolemma non sono in contatto diretto ma abbiamo un piccola

fessura che prende il nome di sinapsi.

Possiamo avere 2 tipi di sinapsi:

-​ chimica→ in questo caso abbiamo questa sinapsi perché abbiamo una

molecola chimica che mi permette il fenomeno dell’accoppiamento

eccitazione-contrazione.

-​ elettrica

Abbiamo un fenomeno di diffusione di questa membrana che racchiude il

neurotrasmettitore che si fonde con la membrana plasmatica, per esocitosi viene

liberato il neurotrasmettitore che si lega con i recettori e qualcosa succederà nel

miocita. Colacino Teresa Irene

Nel miocita abbiamo il fenomeno di polarizzazione della membrana,

l’acetilcolina viene rilasciata, due molecole di acetilcolina si legano ad un

recettore e questo determina a livello della funzione neuromuscolare un segnale

che si estende lungo tutto il sarcolemma raggiungendo i tubuli, che di

conseguenza erano in contatto con le cisterne terminali. Quindi grazie al

potenziale di azione io ho il segnale indotto dall’acetilcolina che mi determina

l’apertura ei canali del calcio presenti nelle cisterne che andranno a livello del

citoplasma.

Il calcio è portato all'interno del reticolo sarcoplasmatico, in particolare dalle

cisterne, verso il citoplasma dove induce il processo della contrazione.

Sappiamo che quello che genera questo fenomeno è una variazione di carica,

abbiamo inseguito al legame dell’acetilcolina con il recettore un influsso di ioni

sodio molto più alto dei reflussi degli ioni potassio, determina un cambio di

carica della membrana e di conseguenza un passaggio del potenziale di azione

che si propaga su tutta la membrana adiacente alla giunzione neuromuscolare.

L’acetilcolina non rimane nello spazio sinaptico, ma ad ogni ciclo di contrazione

l’acetilcolina rimasta viene rimossa per attività enzimatica (enzima

acetilcolinesterasi taglia le molecole di acetilcolina rendendole inattive), per poi

permettere un secondo ciclo e la fuoriuscita di un nuovo neurotrasmettitore.

Questo enzima è localizzato nello spazio sinaptico.

Nel punto di contatto del tubulo T e il reticolo sarcoplasmatico, si genera il

potenziale di azione(entra potassio che permette la creazione del potenziale) che

cambia la carica della membrana e questo genera il rilascio degli ioni calcio dal

reticolo al citoplasma. Ci occupiamo di 2 recettori differenti, localizzati sulle

due membrane che si interfacciano.

Sarcolemma, membrana del miocita che forma queste invaginazioni, che si

trova di fronte alla membrana delle cisterne. Abbiamo un contatto diretto con

queste membrane solo in alcuni punti in seguito alla presenza di recettori che

sono localizzati uno sul sarcolemma e uno sulla membrana del reticolo

sarcoplasmatico, sono uno di fianco all’altro. Colacino Teresa Irene

La membrana del tubulo T presenta un recettore che è indicato come DHP,

recettore della diidropiridina. La membrane del reticolo sarcoplasmatico, a

livello della cisterna è presente il recettore della rianodina. Quando passa o

quando arriva il potenziale di azione si apre il canale del calcio, quindi il calcio

che sta nel reticolo se non c'è potenziale ha il cancello chiuso al contrario ha il

cancello aperto.

Quando arriva il calcio cambia la forma del primo recettore, quella presente sul

sarcolemma, determina un cambiamento anche dell’altro recettore che gli apre

la porta quindi il calcio può uscire. Permettendo il processo di contrazione.

Come avviene questo processo?

Sarcomero a riposo→ actina filamentosa, trpiomisa e i complessi della

troponina divisa nelle sue subunità.

Abbiamo una testa della miosina che contiene ADP + fosfato inorganico. Arriva

il calcio , che permette il distacco della subunità I con conseguenza un

cambiamento conformazionale della struttura che si ripercuote sulla

tropomiosina che libera i siti di legame dell’actina per la miosina. Si fora il

legame. Andando avanti diamo origine al colpo di stroke.

Colpo di forza(colpo di stroke)→ le teste della miosina si muovono e si

sollevano, spostandosi verso la linea M, trascinando nella stessa direzione i

filamenti di actina, che scivola quindi sul filamento spesso. Esso avviene su più

teste delle miosine contemporaneamente, che trascinano all’unisono molte

molecole di actina, tutte nella stessa direzione.

La contrazione raggiunge il picco massimo nel momento in cui le bande I

spariscono e le linee Z si avvicinano tra di loro. Tutto questo processo è dovuto

da un fenomeno di scivolamento dei filamenti sottili su quelli spessi

Riduzione in termini di lunghezza della banda I e la linea A rimane invariata.

LA capacità di generare contrazione dipende dal numero di unità motorie e dalla

quantità di molecole di acetilcolina rilasciata. La durata invece dipende dalla

disponibilità dell’ATP