Fisiologia

Muscolo scheletrico

La massa corporea la distinguiamo attraverso la plicometria: processo che ci dice la % di massa grassa per poi risalire alla % di massa magra (circa il 40% 15/20kg su 70kg). Il plicometro è una specie di pinza che misura il pannicolo adiposo sottocutaneo; misurando le pliche (circa 3 volte e poi faccio la media), si ottiene una misurazione in nm. La massa magra è formata da muscoli, ossa, organi, tutto ciò che non è grasso.

Funzioni del muscolo scheletrico

Il muscolo scheletrico è il tessuto più rappresentato nel nostro corpo ed è responsabile:

• Dei movimenti del nostro corpo e delle sue parti tra di loro
• Del dispendio di energia: aumentabile >50 volte per metabolismo ossidativo o aumentabile 800 volte per metabolismo anaerobico alattacido
• Del controllo della glicemia: diabetici si prescrive infatti anche l'attività fisica nei pazienti
• Del deposito di proteine: il muscolo contiene numerose proteine
• Della termoregolazione (produzione di calore): noi siamo una macchina, mangiando acquisiamo energia che poi viene spesa sotto forma di lavoro e di calore (i brividi ad esempio sono contrazioni involontarie per produrre calore)
• Dell'attività endocrina
• Dell'integrazione con vari sistemi cardiovascolare, respiratorio, renale, endocrino

Composizione del muscolo

Il muscolo è composto da:

• Acqua 75%
• Matrice proteica 20%, il 60% è miosina
• Mioglobina 700mg su 100g

Organizzazione del tessuto muscolare scheletrico

Il tessuto scheletrico presenta striature (presenti anche nel cardiaco e non nel liscio). La cellula muscolare si dice multinucleata perché permette al muscolo di avere una capacità di rigenerazione. Come possiamo notare dalle immagini, il muscolo in ordine di profondità è organizzato così:

• Muscolo epimisio (tessuto connettivo che riveste il muscolo)
• Fascio perimisio (tessuto connettivo tra fasci e fascicoli; permette il reciproco scorrimento)
• Fascicolo
• Fibre endomisio (tessuto connettivo tra le fibre esternamente al sarcolemma, collabora alla trasmissione dell'accorciamento delle fibre ai tendini e permette il passaggio di informazioni vascolari e nervose)
• Miofibrilla

Il sarcomero è la minima parte del tessuto muscolare in grado di contrarsi ed è la parte di fibra muscolare delimitata dalle linee Z. Rilasciato misura circa 4µm mentre contratto 2,7µm. Nel sarcomero troviamo fisse diverse proteine contrattili sotto forma di filamenti:

• Miosina (banda A) proteina spessa fissata al centro del sarcomero da proteine M che formano la linea M. Ogni filamento di miosina è circondato da 6 di actina in ogni sarcomero.
• Actina (banda I) proteina sottile che è α-ancorata alle linee Z tramite proteine strutturali actina.

La molecola di miosina ha diversi tipi di teste dal punto di vista enzimatico e, di conseguenza, diverse capacità di idrolizzare ATP. In condizioni di rilasciamento muscolare, i siti presenti sull'actina sono nascosti dalla tropomiosina. Quando avviene una stimolazione neuromotrice nella placca motrice, vengono rilasciati gli ioni calcio nel sarcoplasma che si legano alla troponina cambiandone la conformazione. Ciò implica uno spostamento della tropomiosina a liberare i ponti actomiosinici: alla testa della miosina è permesso di legarsi al sito attivo (ponte) dell'actina. La testa della miosina si flette, facendo così avvenire la scissione di ATP in ADP + P. A cavallo di due cisterne del reticolo l’apparato sarcoplasmatico troviamo i tuboli T; tubolare è fondamentale perché permette l’accoppiamento tra eccitazione e contrazione. I mitocondri sono corpuscoli che hanno la funzione di produrre energia; all’interno di essi funzionano gli enzimi che danno origine alla fosforilazione ossidativa.

Miosina

Il filamento di miosina è formato da 100 molecole di miosina. Ogni molecola di miosina è una proteina costituita da una parte filiforme con delle protuberanze, ovvero le teste, presenti a 360°. La parte centrale del filamento non presenta le teste della miosina; per questo è chiamata zona nuda. La parte superiore delle teste è il sito di legame con l’actina, mentre la parte inferiore è il sito di legame con l’ATP.

Actina

Il filamento sottile è costituito da fili intrecciati tra di loro formati da molecole di actina. Nel filamento troviamo anche altre due molecole:

• Tropomiosina
• Troponina

In condizioni di riposo la tropomiosina copre i siti di attivazione per il contatto tra actina e miosina.

Meccanismo della contrazione

Nella placca motrice (assone motoneurone + fibra muscolare) viene liberato come neurotrasmettitore l’acetilcolina che, a contatto con la membrana cellulare, determina l’apertura dei canali che permettono l’entrata di ioni sodio e l’uscita di ioni potassio, generando il potenziale d’azione. Il potenziale d’azione si trasmette su tutta la membrana arrivando ai tubuli T che trasmettono la polarizzazione alle cisterne terminali (nel reticolo sarcoplasmatico). L’insieme dei tubuli T e delle cisterne viene detto triadi. Quest’ultime liberano ioni calcio nel sarcoplasma che, legandosi alla tropanina, spostano la tropomiosina liberando i siti attivi dell’actina e permettendo la formazione dei ponti actomiosinici e forza e tensione contrazione.

La contrazione continua fino a quando nel sarcoplasma continua ad esserci una certa concentrazione di ioni calcio, che dipende sempre dall’entità della stimolazione nervosa della membrana cellulare. La contrazione e l’allungamento non avvengono perché miosina e actina variano la loro lunghezza, ma perché le linee Z si avvicinano tra loro poiché l’actina scorre sulla miosina. Ciò avviene grazie alla formazione dei ponti actomiosinici: la testa della miosina prende contatto con il sito attivo dell’actina e poi lo trascina verso il centro. La contrazione attiva l’enzima ATPasi che scinde ATP liberando energia e genera la rotazione delle teste di miosina e quindi lo scorrimento. A seconda del numero dei ponti actomiosinici c’è un maggior o minor scorrimento e di conseguenza sarà diversa la contrazione del muscolo.

Quando la stimolazione nervosa cessa, la concentrazione di calcio intracellulare si riduce velocemente grazie a un meccanismo attivo (ritorna ai livelli di riposo) e la miosina si stacca dall’actina. Riportare ioni calcio nel reticolo sarcoplasmatico (processo contro elevato gradiente di concentrazione) richiede energia, consumo di ATP. Quando il muscolo si contrae, di tutta l’ATP utilizzata, il 30-40% serve alla SERCA per riportare indietro gli ioni. La quantità di ioni calcio nel sarcoplasma a riposo è di 0.1µM, quando si ha una contrazione si alza a 10µM. Nel reticolo sarcoplasmatico invece sono sempre presenti 0.5-1µM di calcio. Questo significa che alla fine di una stimolazione neuromuscolare, per avere un rilasciamento è necessario “estrarre” il calcio contro gradiente di concentrazione utilizzando la pompa SERCA (sarcoplasmatic reticulum calcium ATPasi).

Controllo della forza muscolare

Esistono 3 meccanismi per regolare la forza di contrazione:

• Reclutamento del numero e del tipo di unità motorie
• Frequenza di scarica dei motoneuroni: potenziali d’azione generati nell’unità di tempo
• Relazione forza-lunghezza: in base alla lunghezza in cui viene stimolato, il muscolo produce forza diversa

Nel muscolo viene attivata l’unità motoria, complesso costituito da un motoneurone alfa e le fibre muscolari che esso innerva. I motoneuroni alfa sono presenti nella sostanza grigia delle corna posteriori del midollo spinale; a loro volta sono innervati da un motoneurone presente a livello della corteccia motoria. Controllo motorio fine (es. muscoli bulbo-oculari): unità motoria costituita da poche fibre. Controllo motorio grossolano (es. quadricipite femorale): unità motoria costituita da molte fibre muscolari.

• Muscoli extraoculari: 10-20 fibre
• Muscoli della mano: 100-300 fibre
• Grossi muscoli degli arti: 500-1500 fibre

All’interno del muscolo le fibre di una stessa unità motoria non sono collocate una vicina all’altra ma sono sparse per garantire una certa uniformità nella contrazione. Tutte le fibre dell’unità motoria vengono attivate contemporaneamente. Tutte le fibre dell’unità motoria sono omogenee dal punto di vista funzionale, meccanico, bioenergetico; quindi, le unità motorie sono lente o veloci, non le singole fibre. Una singola fibra nervosa innerva un certo numero di fibre muscolari; una fibra muscolare viene innervata da una sola cellula nervosa.

Reclutamento tipo di unità motorie

All’interno di un muscolo le fibre non sono tutte uguali, troviamo:

• Tipo I o lente o rosse: generano un livello di forza abbastanza basso (2 grammi) quando stimolato da un solo impulso e impiegano un certo tempo per sviluppare questa forza, ma quando vengono stimolate in maniera ripetuta nel tempo (60 minuti) queste fibre mostrano una capacità di mantenere costante questo livello di forza → fibre resistenti alla fatica!
• Tipo II o veloci: presentano a loro volta diverse tipologie IIA, IIB, IIC, IIX
  • Tipo IIB o bianca: il livello di forza espresso dopo una singola stimolazione è molto alto (50 grammi) ma, se stimolata nel tempo, questa fibra riduce abbastanza presto il livello di forza che riesce a produrre (2-4 minuti) → fibre che si affaticano!
  • Tipo IIA o rossa: presenta caratteristiche intermedie tra i due precedenti. Il livello di forza espresso dopo un singolo impulso è intermedio (più alto della fibra I ma più basso della IIB, 10 grammi). Quando viene ripetutamente stimolata, non mantiene costante nel tempo la sua generazione di forza ma non si affatica subito come la fibra IIB; dopo 4-6 minuti riesce ancora a generare il 70% della forza che sviluppava nei primi secondi, dopo i 60 minuti mantiene un 20% → veloce ma resistente alla fatica!
  • Tipo IIC: fibra muscolare di riserva che, dipendentemente dallo stimolo che ricevono, si modificano in I, IIA, IIB. Per questo si dice che con l’allenamento si possono “aumentare” le fibre considerate.

Queste caratteristiche meccaniche trovano la loro spiegazione nel meccanismo bioenergetico che queste fibre utilizzano per generare energia o ATP necessaria per creare ponti actomiosinici:

• Meccanismo aerobico o ossidativo mitocondriale: richiede ossigeno. Quando nei miei muscoli arriva una quantità di ossigeno sufficiente, vengono bruciati zuccheri, grassi e proteine e ciò genera ATP → utilizzato dalle fibre di tipo I o ossidative. In queste fibre sono presenti molti mitocondri (in cui avvengono reazioni ossidative).
• Meccanismo anaerobico alattacido: grazie ad una sola reazione della fosfocreatina si genera ATP → fibre di tipo IIB
• Meccanismo anaerobico lattacido o glicolitico e ossidativo (fosforilazione a livello del substrato): porta alla produzione di acido lattico che comporta delle modificazioni di livello di ph che bloccano un’ulteriore formazione di acido → fibre IIA

Il colore della fibra (rossa o bianca) dipende dalla presenza o meno di mioglobina, proteina con funzione di legare con l’ossigeno ma diversamente dall’emoglobina è costituita da una sola catena proteica. La molecola di miosina presente nei muscoli è costituita a sua volta da diverse molecole, chiamate:

• Catene pesanti: comprende la testa della miosina che prende contatto con l'actina e contiene l’ATPasi (enzima che può scindere l’ATP e permettere quel movimento di frusta che fa scorrere i filamenti di actina e miosina). Proprio questa catena fa sì che una fibra muscolare sia veloce o lenta: dipende dall’enzima.
• Catene leggere

La percentuale di tipi di fibre è diversa da soggetto a soggetto e da muscolo a muscolo e ciò dipende dalla genetica e può essere influenzato parzialmente dall’attività fisica che si svolge (2-3%, andando ad agire sulle fibre IIC).

Reclutamento numero di unità motorie

Il SNC e i nostri muscoli seguono un ordine ben preciso nell’attivare le unità motorie. Il nostro muscolo quando fa un’attività di bassa intensità attiva esclusivamente le unità motorie lente. Se il muscolo fa un’intensità superiore, oltre alle unità motorie di tipo I, iniziano ad essere reclutate anche le unità motorie di tipo IIA e via via, all’aumentare dell’intensità, inizio a reclutare le unità motorie di tipo IIB. Se si fa una corsa di blanda velocità (di riscaldamento) vengono reclutate le unità motorie di tipo I. Se si fa uno sforzo massimale (massimo salto verso l’alto) vengono reclutate le unità motorie di tipo I, IIA, IIB. Su questo concetto si poggia il concetto di soglia anaerobica.

Frequenza di scarica dei neuroni di potenziali d’azione

La frequenza di scarica dei motoneuroni è il numero di impulsi che questo motoneurone genera e arrivano alla fibra motoria nell’unità di tempo. Questo meccanismo agisce in contemporanea con quello di reclutamento delle fibre. In questo diagramma si nota la differenza di durata/latenza di un potenziale d'azione. Il potenziale d'azione è un fenomeno che determina un'inversione del potenziale elettrico che sta a cavallo della membrana (normalmente le nostre cellule a riposo hanno un potenziale di membrana negativo uguale a -75mv) facendolo diventare positivo. La durata è estremamente breve: fenomeni che durano 2ms per il motoneurone e 5ms per il muscolo scheletrico. Il potenziale d’azione per il muscolo cardiaco ha una durata di 200ms, una durata 100 volte maggiore del motoneurone che fa sì che non possa andare incontro ad un tetano (forza massima che sarebbe svantaggiosa per il nostro cuore).

La breve durata del potenziale d’azione (2ms per motoneurone e 5ms per il muscolo scheletrico) significa che noi possiamo stimolare la nostra cellula muscolare con due impulsi ravvicinati nel tempo. Questo diagramma rappresenta la tensione che genera una fibra muscolare quando viene stimolata (5Hz = 5 scariche al secondo, ovvero ogni 200ms). Il triangolo nero sta ad indicare l'impulso, il potenziale d'azione che dal motoneurone arriva alla fibra muscolare. Cosa succede?

• Il potenziale d'azione arriva alla fibra
• La tensione aumenta progressivamente, man mano che gli ioni calcio si legano alla troponina si creano questi ponti actomiosinici
• Si arriva ad un punto in cui la formazione di ponti actomiosinici raggiunge un picco
• Se non ci sono ulteriori potenziali d'azione, gli ioni calcio ritornano nel reticolo sarcoplasmatico consumando ATP.

Dopo 200ms arriva un altro impulso e succede la medesima cosa. In questa figura vediamo un primo impulso che genera un certo valore di tensione che poi torna a riposo. Poi troviamo due impulsi ravvicinati nel tempo (il secondo arriva quando la forza non è ancora tornata al livello di riposo) e il secondo provoca un’ulteriore liberazione di ioni calcio dal reticolo sarcoplasmatico, quindi la concentrazione di ioni calcio all’interno della fibra muscolare aumenta permettendo un maggior numero di formazione di ponti actomiosinici. In questo caso la forza generata da questa fibra motoria non è più al livello di prima ma più alta = fenomeno della sommazione. Se si stimola una stessa fibra più di due volte (circa 50Hz), continua il processo di sommazione fino a raggiungere un livello massimo di tensione. Raggiunto questo livello massimo di tensione, la forza presenta delle piccole oscillazioni ma si mantiene sostanzialmente costante perché il numero di ponti actomiosinici in un’unità motoria non è infinito.

Fenomeno del clono o tetano incompleto. Il livello di forza massima non può essere mantenuto per moltissimo tempo perché poi all’interno della fibra avvengono una serie di fenomeni che vanno a costituire ciò che noi chiamiamo fatica muscolare; questa fibra muscolare stimolata a livello massimale per una certa quantità di tempo raggiunge e mantiene questo livello ma poi si affatica e quindi non è più in grado di sviluppare questa forza che poi progressivamente scende.

Questo fenomeno di tetano completo si raggiunge difficilmente quando si è in vita perché nei muscoli sono presenti fusi neuromuscolari e organi tendinei del Golgi che, a tensione troppo alta, allertano il sistema e bloccano l’ulteriore stimolazione. Man mano che la frequenza aumenta, la tensione aumenta fino a raggiungere un valore massimale. Per ogni unità motoria c’è un valore massimo di forza perché c’è un numero finito di possibilità di formare ponti actomiosinici. Quando tutti i possibili ponti actomiosinici si sono formati, non c’è altra possibilità di aumentare ulteriormente la tensione.