Fisiologia umana

MUSCOLO SCHELETRICO

Esistono tre tipi di tessuti muscolari con strutture e proprietà funzionali diverse: il muscolo scheletrico,

muscolo cardiaco e diversi tipi di muscolo liscio. Questi sono costituiti da cellule eccitabili, dotati di strutture

contrattili capaci di generare forze notevolmente superiori a quelle del cito scheletro. Lo sviluppo di forza è

dovuto a una maggiore espressione e organizzazione dei microfilamenti e dei filamenti di miosina che sono

considerati la struttura contrattile e non come facenti parte del cito scheletro.

Struttura del muscolo scheletrico

Il muscolo-scheletrico è costituito da fibre muscolari polinucleate allungate, unite alla loro estremità a tessuto

connettivo elastico che rappresentano la componente tendinea della fibra. La loro forma è approssimativamente

cilindrica con diametro compreso tra 10 e 100 nm e lunghezza variabile. La membrana cellulare è detta

sarcolemma, il citoplasma sarcoplasma e reticolo endoplasmatico liscio reticolo sarcoplasmatico. Il

sarcolemma di ciascuna fibra non è in contatto con le fibre limitrofe, in quanto è rivestito da endomisio. In un

muscolo scheletrico gruppi di fibre sono unite in fascicoli rivestiti da altre tessuto connettivo, perimisio, e i

fascicoli sono riuniti da una fascia connettivale detta epimisio. Il citoplasma contiene strutture cilindriche

specializzate dette miofibrille, poste in parallelo tra loro. Sono costituite da proteine filamentose organizzate in

filamenti sottili e filamenti spessi che costituiscono una struttura contrattile e sono so suddivisi da strie Z in

unità funzionali in serie tra loro dette sarcomeri. Come tutte le cellule, le fibre muscolari scheletriche sono

dotate di un citoscheletro. Nello spazio compreso tra le miofibrille vi è il reticolo sarcoplasmatico contenente

glicogeno e numerosi mitocondri. I nuclei sono localizzati più in periferia verso il sarcoplasma. Viene

denominato striato perché possiede delle striature trasversali, dove l’alternanza di bande scure lungo la fibra è

dovuta a differenze dell’indice di rifrazione della luce che lo attraversa. Le bande chiare o bande I sono divise

a metà da linee Z. Le bande scure o bande A sono situate al centro del sarcomero e hanno al centro una banda

più chiara, banda H, che hanno nel mezzo la linea linea M trasversale.

Componenti molecolari del muscolo scheletrico

I filamenti sono costituiti da molte centinaia di molecole di miosina 2 assemblate tra loro. La miosina 2

possiede due teste globulari e una coda, quest’ultima è costituito da due catene di meromiosina leggera (LMM)

che si uniscono a due catene di meromiosina pesante (HMM). Le due catene di HMM sono poste tra loro ad

alfa-elica per un breve segmento, si separano formando due teste globulari e terminano con la porzione N-

terminale. Nella testa esistono un sito di legame per l’actina e uno per l’ATP, che è un’attività ATPasica. La

testa fino alla suddivisione del due catene pesanti è detta anche segmento S1 ed è anche il dominio motore e più

segmenti S1 possono formare con i filamenti sottili dei ponti trasversali.

La F-actina è una proteina filamentosa formata dalla polimerizzazione della proteina globulare G-actina. I

filamenti sottili sono formati da due filamenti di F-actina avvolti tra loro a doppia elica. Avvolti sui filamenti

sottili, vi sono altri due filamenti proteici costituiti dalla tropomiosina e da tre unità di troponina. La

tropomiosina è una proteina filamentosa formata da due alfa-eliche. La troponina è formata da tre subunità:

troponina C (TnC), troponina (TnT), troponina I (TnI). La troponina T ha una forma allungata e lega le

troponina T ed I alla tropomiosina. Il complesso troponina-tropomiosina è denominato anche complesso di

proteine regolatrici, perché la sua funzione è di regolare la contrazione dei sarcomeri. La troponina C possiede

quattro si lega legami per gli ioni Ca2+, mentre la troponina I ha funzione inibitoria.

Meccanismo contrattile: ciclo dei ponti trasversali e teoria dello scorrimento dei filamenti

Nel muscolo a riposo, fase 1, il sito della miosina lega ADP e Pi, formando il complesso miosina-ADP-Pi che

ha alta affinità per l’actina. In seguito all’accoppiamento eccitazione-contrazione, la concentrazione del calcio

del sarcoplasma aumenta, gli ioni Ca2+ si leggono alla subunità C della troponina. Il legame Ca2+-TnC

determina un cambiamento con conformazionale della TnC, che induce un cambio conformazionale sia della

TnI, che della TnT. La TnT sposta lateralmente la tropomiosina nella scanalatura dei filamenti di F-actina e lo

spostamento di questo rende disponibile i siti di legame dell’actina per la miosina. In queste condizioni la

miosina può legare l’actina, così da avere la formazione di punti trasversali che costituiscono il complesso

actomiosinico. Questa è la fase 2 del ciclo dei ponti trasversali. Successivamente, fase 3, il complesso

actomiosinico-ADP-Pi perde Pi, le teste di miosina cambiano formazione e si flettono in direzione della linea

M. Questo cambio dell’angolo di legame si chiama colpo di forza e causa il trascinamento dei filamenti di

actina a cui la miosina è legata. Nella fase 4 il complesso actomiosinico perde l’ADP continuando a generare

forza. Nella fase 5 la miosina lega l’ATP, il complesso actomiosina-ATP ha un basso livello di energia libera e

si stacca rapidamente dall’actina; la generazione di forza cessa e la miosina ritorna nella posizione di riposo

perpendicolare rispetto all’actina. L’attività ATP della miosina riforma il complesso miosina-ADP-Pi e un

nuovo ciclo contrattile può avvenire. Si noti per tutto il tempo che è presente un’alta concentrazione di Ca2+ e

di ATP, si formano altri complessi actomiosinici e di conseguenza altri passi elementari di forza, che causano

spostamento delle fibre sottili verso il centro del sarcomero. La banda I si riduce progressivamente lunghezza

fino a scomparire quando tutti i punti trasversali sono sovrapposti ai filamenti sottili. L’accorciamento

complessivo di una fibra muscolare è dato dalla somma degli accorciamenti di tutti i suoi sarcomeri.

Accoppiamento eccitazione-contrazione

La fibra muscolare scheletrica è una cellula eccitabili in quanto genera un potenziale d’azione. In condizioni

fisiologiche, il PA è generato dall’attività dei motoneuroni alfa. Ogni PA determina la liberazione di ACh del

terminale nervoso nella giunzione neuromuscolare. Nella membrana postsinaptica sono espresse alte densità di

recettori nicotinici che si aprono quando si leggono all’ACh generando un potenziale di placca. Quest’ultimo si

propaga passivamente al sarcolemma limitrofo ed è in grado di attivare i canali del Na+ e del K+ voltaggio-

dipendenti. Si genera quindi un PA che si propaga lungo tutto il sarcolemma. I canali del Na+ e del K+ delle

fibre muscolari scheletriche sono funzionalmente simili a quelle neuronali, ma sono isoforme diverse con

cinetica un po’ più lenta. Il sarcolemma presenta una struttura particolare: a intervalli regolari forma delle

invaginazioni di forma tubulare verso l’interno del sarcoplasma dette tubuli T. Tali tubuli esprimono canali del

Na+ voltaggio-dipendenti e recettori DHP (DHPR). Quest’ultimi funzionano solo da “sensori del potenziale” e

sono raggruppati in tetradi. La loro soglia di attivazione nel mammifero è circa -30 mV. Il PA si propaga lungo

la loro superficie è attiva i DHPR e i canali del Na+. I tubuli sono situati trasversalmente raggiungono il centro

della fibra, pertanto la propagazione del PA lungo il tubulo determina l’attivazione del recettore di DHPR

situati profondamente nel sarcolemma fino a raggiungere rapidamente le miofibrille più profonde. I tubuli sono

localizzati a livello delle semibande I e ogni sarcomero ha quindi due tubuli T.

L’accoppiamento eccitazione-contrazione è costituito da una serie di eventi: inizia con la generazione del PA

nel sarcolemma, provoca un aumento della concentrazione del Ca2+ nel sarcoplasma e termina con

l’attivazione del ciclo dei ponti trasversali. Intorno alle miofibrille vi è il reticolo sarcoplasmatico che è una

modificazione morfologica del reticolo endoplasmatico liscio. Il RS è organizzato in modo da formare delle

cisterne, dette cisterne terminali, parallele ai tubuli T. Due cisterne sono connesse tra loro da un sistema

reticolare longitudinale parallelo alle miofibrille. Il tubulo T viene a trovarsi tra due cisterne e forma pertanto

un complesso definito triade. Il RS contiene un’alta concentrazione di Ca2+ , quindi è un deposito

intracellulare di Ca2+. Quest’ultimo si trova legato alla calcio-sequestrina. Queste proteine sono canali

permeabili al Ca2+ e quando si attivano permettono agli ioni Ca2+ che si trovano ad alta concentrazione nel RS

di uscire verso il sarcoplasma dove sono presenti a bassa concentrazione.

Queste proteine sono bloccate dall’ alcaloide rianodina e sono dette pertanto recettori per la rianodina, RyR.

Siccome i RyR liberano nel sarcolemma il Ca2+ contenuto nelle cisterne, sono denominati anche canali di

liberazione del Ca2+. I RyR-CRC si ripetono a intervalli regolari, si contrappongono in maniera speculare alle

tetradi formate dai DHPR del tubulo e sono denominati piedi.

Scossa semplice e contrazione tetanica

La stimolazione elettrica di un nervo muscolare genera un PA nei motoneuroni alpha e a questi a loro volta

inducono un PA nelle fibre muscolari innervate. Per studiare l’accoppiamento eccitazione-contrazione occorre

curarizzare il preparato e usare stimoli sufficientemente intensi capaci di generare direttamente il PA nella fibra

muscolare. In queste condizioni 1-2 ms dopo il PA, il RyR-CRC si attivano, aumenta la concentrazione del

Ca2+ mioplasmatico e dopo altri 2-3 ms aumenta la concentrazione del Ca2+ legato alla troponina C. La

concentrazione del Ca2+ aumenta progressivamente fino a raggiungere un massimo, poi decresce perché

intervengono le pompe del Ca2+ e gli antiporti Na+/Ca2+ del sarcolemma e del RS che rimuovono l’eccesso di

Ca2+. In tal modo la concentrazione del Ca2+ mioplasmatico diminuisce, il muscolo si rilascia

progressivamente e la contrazione cessa quando la concentrazione del Ca2+ è riportata a valori sottosoglia per

attivare la contrazione. La riposta meccanica a un singolo PA si chiama scossa semplice. Se si dà un secondo

stimolo con un intervallo minore della durata della scossa semplice la forza sviluppata è maggiore. Se si

ripetono gli stimoli con la stessa frequenza, le singole scosse si sommano e si osserva una serie di oscillazioni

della risposta meccanica. Tale riposta si chiama contrazione tetanica incompleta o tetano incompleto.

Aumentando la frequenza di stimolazione, l’ampiezza della risposta aumenta e l’entità delle oscillazioni si

riduce. Un ulteriore aumento determina una