Fisiologia cellulare e molecolare

Fisiologia cellulare e molecolare

Prof. Andrea Barbuti

• Prima parte: scheletrico e cardiaco
• Seconda parte: sistema gastrointestinale
• Seminari con dettagli molecolari e fisiopatologia
• Seminario personale: scelta di un argomento, power point

Esame scritto con 3 domande aperte e orale. Il seminario influisce sul voto.

Meccanismi molecolari del muscolo scheletrico, fatica e allenamento

Le fibre muscolari scheletriche sono classificate in base alla velocità di contrazione e alla resistenza alla fatica. Si possono identificare 3 gruppi:

• Fibre ossidative a contrazione lenta (slow-twitch) o fibre di tipo I
• Fibre ossidative-glicolitiche a contrazione rapida (fast oxidative glycolitic) o fibre di tipo II A
• Fibre glicolitiche a contrazione rapida (fast-glycolitic) o fibre di tipo II B

Nei muscoli adulti è presente un quarto tipo di fibre, chiamate IIX, con caratteristiche intermedie a IIA e IIB.

Le fibre muscolari a contrazione rapida (tipo II) sviluppano tensione due o tre volte più velocemente delle fibre a contrazione lenta (tipo I). La velocità di contrazione di un muscolo è determinata dall’isoforma di miosina presente nei filamenti spessi. Le fibre a contrazione rapida scindono l’ATP più rapidamente e quindi completano i cicli contrattili più velocemente di quelle a contrazione lenta.

Anche la durata della contrazione varia in base al tipo di fibra. La durata di ogni scossa è determinata soprattutto dalla velocità di rimozione del Ca²⁺ dal citosol da parte del reticolo sarcoplasmatico. Quando la concentrazione di Ca²⁺ nel citosol scende, lo ione si scinde dalla troponina, consentendo alla tropomiosina di rimettersi nella posizione in cui blocca parzialmente i siti leganti la miosina. In questo modo, il movimento della testa di miosina è inibito e la fibra muscolare si rilascia.

Le fibre a contrazione rapida pompano Ca²⁺ nel reticolo sarcoplasmatico più rapidamente di quelle a contrazione lenta, quindi hanno scosse più veloci. La contrazione delle fibre veloci dura solo 7,5 ms, rendendo questi muscoli utili per i movimenti rapidi e fini. Le contrazioni delle fibre muscolari lente possono durare anche 10 volte di più. Le fibre veloci vengono usate raramente, quelle lente sono usate quasi costantemente per il mantenimento della postura e della stazione eretta o per la deambulazione.

Resistenza alla fatica

Un’altra importante proprietà che differenzia le fibre muscolari è la capacità di resistere alla fatica. Le fibre glicolitiche (tipo IIB a contrazione rapida) utilizzano principalmente la glicolisi anaerobica per produrre ATP. L’accumulo di H⁺ prodotto dall’idrolisi di ATP contribuisce all’acidosi, una condizione che favorisce l’insorgenza della fatica. Di conseguenza, le fibre glicolitiche si affaticano più facilmente di quelle ossidative, che non dipendono dal metabolismo anaerobico. Le fibre ossidative utilizzano per la produzione di ATP soprattutto la fosforilazione ossidativa. Queste fibre, che comprendono le fibre lente e le fibre rapide ossidativo-glicolitiche, hanno più mitocondri e anche un numero maggiore di vasi ematici nel tessuto connettivo, che portano ossigeno alle fibre.

L’ossigeno contenuto nel sangue deve diffondere all’interno di ciascuna fibra muscolare per raggiungere i mitocondri. Questo processo è facilitato dalla presenza di mioglobina, che lega l’ossigeno e lo trasporta più velocemente all’interno della fibra. L’elevato contenuto in mioglobina conferisce alle fibre ossidative il loro caratteristico colore rosso, da cui deriva la denominazione di fibre rosse. Le fibre ossidative hanno anche un diametro minore, cosicché la distanza che l’ossigeno deve percorrere per raggiungere i mitocondri è più breve.

Le fibre rapide, dall’altro canto, sono dette anche fibre bianche, a causa del loro minore contenuto in mioglobina, e hanno un diametro maggiore che porta a un esaurimento precoce di ossigeno. Queste fibre compiono prevalentemente glicolisi anaerobica per sintetizzare ATP e sono soggette a un rapido affaticamento.

Fibre del muscolo scheletrico di mammifero adulto

• Fibre di tipo I: lenta, rossa ossidativa.
  • Tempo di contrazione (tempo a raggiunge la massima tensione): lento
  • Dimensione piccola -> tensione piccola (definita in forza peso)
  • Resistenza alla fatica alta. Può essere dovuto alla momentanea incapacità di produzione di ATP. Recuperano molto lentamente dalla fatica.
  • Capacità glicolitica bassa
  • Capacità ossidativa alta
  • Numero di mitocondri +++
  • Densità capillare +++
  • Sottoposta a sforzi prolungati come muscoli posturali
• Fibre di tipo IIA: veloce, rossa ossidativa.
  • Dimensione intermedia -> tensione 4-60g
  • Resistenza alla fatica media
  • Capacità glicolitica bassa
  • Capacità ossidativa alta
  • Numero di mitocondri ++
  • Densità capillare ++
• Fibre di tipo II B (X): veloce, bianca (non utilizzano ossigeno, in quanto fanno glicolisi anaerobica) glicolitica.
  • Dimensione grande -> tensione 30-160g
  • Resistenza alla fatica bassa. Recuperano molto velocemente dalla fatica
  • Capacità glicolitica alta
  • Capacità ossidativa bassa
  • Numero di mitocondri +
  • Densità capillare +

Soleo: muscolo lento di tipo I

Estensore digitorum longus: muscolo II X

La tensione sviluppata da una fibra muscolare

La tensione sviluppata da una fibra muscolare durante una contrazione dipende dalla lunghezza dei singoli sarcomeri prima dell’inizio della contrazione stessa. Ogni sarcomero, durante la contrazione, sviluppa una forza massimale se si trova alla lunghezza ottimale prima che la contrazione inizi. La normale lunghezza a riposo dei muscoli scheletrici garantisce che i sarcomeri siano alla lunghezza ottimale quando cominciano a contrarsi.

La teoria dello scorrimento dei filamenti prevede che la tensione che la fibra muscolare può generare sia direttamente proporzionale al numero di ponti trasversi che si formano tra filamenti spessi e filamenti sottili. Se la fibra comincia la contrazione quando il sarcomero è troppo lungo, i filamenti sottili e spessi sono scarsamente sovrapposti e formano pochi ponti trasversali o al limite nessuno. Ciò vuol dire che nella parte iniziale della contrazione i filamenti possono interagire solo in misura minima e non possono generare molta forza.

Alla lunghezza ottimale si può formare il massimo numero di ponti trasversi tra filamenti spessi e sottili e la fibra può generare la sua massima forza contrattile. Se all’inizio della contrazione il sarcomero è più corto della sua lunghezza ottimale, i filamenti spessi possono trascinare i filamenti sottili, dalle due opposte estremità del sarcomero solo per una breve distanza prima che questi comincino a sovrapporsi, impedendo la formazione di ponti trasversi. Se il sarcomero è così corto che i filamenti spessi finiscono a contatto con i dischi Z, la miosina non riesce più a trovare nuovi siti di legame per la formazione di ponti trasversi e la tensione che la fibra può sviluppare è molto ridotta.

La forza generata dalla contrazione di una singola fibra può essere aumentata incrementando la frequenza dei potenziali d’azione che stimolano la fibra. Se potenziali d’azione ripetuti sono separati da lunghi intervalli di tempo, le fibre muscolari hanno il tempo di rilasciarsi completamente tra gli stimoli. Se invece gli intervalli fra le contrazioni si accorciano, la fibra muscolare non si rilascia completamente tra due stimoli e sviluppa una contrazione più forte per effetto di una sommazione di forza. Se i potenziali d’azione che stimolano una fibra muscolare si succedono a brevi intervalli l’uno dall’altro, in grado di rilasciamento tra le contrazioni diminuisce e la fibra muscolare raggiunge uno stato di contrazione noto come tetano. Due sono i tipi di tetano: quello incompleto (non fuso) la frequenza di stimolazione non è massimale e la fibra si rilascia leggermente tra i singoli stimoli, nel tetano completo o fuso, invece, la frequenza di stimolazione è così alta che la fibra non ha il tempo di rilasciarsi per nulla tra uno stimolo e l’altro, e sviluppa la massima tensione possibile, tensione che mantiene finché perdura la stimolazione.

Unità motoria

Unità motoria: motoneurone + fibre muscolari innervate. È costituita da fibre omogenee. Quando il motoneurone genera un potenziale d’azione, tutte le fibre muscolari dell’unità motoria si contraggono assieme. È da notare che, sebbene un motoneurone innervi molte fibre, ciascuna fibra muscolare è innervata da un solo neurone.

Nei muscoli responsabili dei movimenti fini, come i muscoli che muovono gli occhi o i muscoli delle dita della mano, un’unità motoria può contenere anche solo 3-5 fibre. Se una di queste unità motorie viene attivata, solo poche fibre si contraggono e la risposta muscolare è assai piccola. Se vengono attivate altre unità motorie, la risposta aumenta di poco, poiché si aggiungono solo poche fibre muscolari. Questa organizzazione consente graduazioni fini dei movimenti.

Tutte le fibre di una singola unità motoria sono dello stesso tipo, ci sono dunque unità motorie a contrazione rapida e a contrazione lenta. La determinazione di quale tipo di fibra si associa a un particolare neurone dipende dal neurone stesso. All’interno di un muscolo scheletrico, ogni unità motoria si contrare con modalità tutto o nulla. Come può quindi il muscolo generare contrazioni di forza e durata diverse? La risposta sta nel fatto che il muscolo è composto da molte unità motorie di diverso tipo. Questa varietà permette di codificare la durata e la forza della contrazione: reclutando tipi diversi di unità motorie, cambiando il numero di unità motorie che rispondono in un certo momento.

La forza della contrazione in un muscolo scheletrico può essere aumentata reclutando nuove unità motorie. Il reclutamento è controllato dal sistema nervoso e procede in maniera stereotipata. Uno stimolo debole diretto a un pool di motoneuroni somatici nel sistema nervoso centrale attiva solo i neuroni che hanno la soglia bassa. Man mano che lo stimolo che arriva al pool di motoneuroni aumenta d’intensità, altri motoneuroni a soglia più alta cominciano a scaricare.

Un modo per evitare la fatica in una contrazione sostenuta è il reclutamento asincrono delle unità motorie. Il sistema nervoso modula la frequenza di scarica dei motoneuroni, in modo che diverse unità motorie a turno mantengano la tensione muscolare. L’alternanza di unità motorie attive permette ad alcune di esse di riposare tra le contrazioni, prevenendo la fatica.

Aumentando la frequenza di stimolazione di una fibra muscolare si ha la sommazione delle contrazioni. Se però la fibra si affatica facilmente, la sommazione provoca fatica e quindi diminuzione della forza sviluppata.

• Muscoli fasici: 1 unità motoria 1000-2000 fibre (pettorale, bicipite)
• Muscoli tonici: 1 unità motoria circa 180 fibre (soleo, muscoli posturali). Controllo più fine.
• Muscoli adibiti al controllo fine del movimento (dita, occhio): 1 unità motoria 10-20 fibre
• Unità motoria X: motoneuroni alfa con corpo cellulare piccolo e diametro assone ridotto (conduzione lenta) innervano poche fibre di tipo I
• Unità motoria Z: motoneuroni alfa con corpo cellulare grande diametro assone maggiore (conduzione veloce), innervano fibre di tipo IIB
• Unità motoria Y: motoneuroni alfa con corpo cellulare intermedio assone intermedio innervano fibre di tipo IIA

Funzione del muscolo

Funzione del muscolo: sviluppare tensione. Lo sviluppo della tensione dipende dall’attivazione del cervello. Lo sviluppo di tensione viene modulata sulla frequenza. Ad ogni singolo potenziale d’azione che arriva alla placca neuromuscolare si attiva una tensione e per aumentare la tensione si deve aumentare la frequenza, ottenendo la sommazione della tensione, fino ad arrivare alla stimolazione tetanica, dove non si ha più la distinzione tra le varie tensioni e il muscolo diventa l’unica unità funzionale.

• Fibre di tipo I: può sviluppare solo 2g di tensione a causa delle sue dimensioni e della presenza di diverse miosine. Il muscolo lento può contrarsi per ore
• Fibre di tipo IIA: dopo pochi secondi vi è un calo nella tensione, ma dopo 10 minuti non sono più in grado di sviluppare tensione.

Sono 3 parametri fisici che influenzano il processo di sviluppo di tensione da parte del muscolo: la forza prodotta da ogni ponte trasverso, la velocità dello slittamento del ponte trasverso e il numero di ponti trasversi che si formano.

Il potenziale d’azione muscolare e neuronale durano 2-3 ms. Il potenziale d’azione cardiaco dura 200-300 ms.

• Accoppiamento-eccitazione contrazione:

Muscolo scheletrico: il calcio per la contrazione è localizzato nel reticolo sarcoplasmatico, ma è comunque necessario il calcio extracellulare in quanto i canali di calcio localizzati a livello dei tubuli T (canali di calcio voltaggio dipendenti DHPR, canali di tipo L) fanno entrare il calcio che attiva i canali RyR per il rilascio di calcio dal reticolo sarcoplasmatico. Vi sono canali DHPR ogni 3 canali RyR, in quanto i RyR vengono aperti dall’apertura dei canali DHPR.

1. Il motoneurone somatico rilascia ACh a livello della giunzione neuromuscolare
2. L’ingresso netto di Na⁺ tramite i recettori sensibili all’ACh induce un potenziale d’azione
3. Il potenziale d’azione nei tubuli T altera la conformazione del recettore DHP
4. Il recettore DHP apre canali per il rilascio del Ca²⁺ nel reticolo sarcoplasmatico e il Ca²⁺ entra nel citoplasma
5. Il Ca²⁺ si lega alla troponina, consentendo il legame forte fra actina e miosina
6. Le teste della miosina generano il colpo di forza
7. I filamenti di actina scorrono verso il centro del sarcomero

L’apertura dei canali del calcio nel muscolo scheletrico dura 2-3 ms, in quanto il calcio è tossico per la cellula.

Muscolo cardiaco: rilascio di calcio indotto da calcio.

Nel punto in cui la velocità è zero (massima forza isometrica), indica la forza del muscolo (la forza è determinata dalla sezione delimitata dalla curva), o la fibra muscolare che riflette l’azione dei sarcomeri che lavorano in parallelo. Il punto in cui la forza è zero, denota la velocità del potenziale del muscolo ed è dove la velocità di accorciamento è massima. La Vmax riflette l’azione del movimento molecolare, ossia le miosine che formano ponti trasversi sulle actine.

Prendendo in considerazione due motoneuroni di dimensioni diverse, ma con lo stesso potenziale di resting e la stessa corrente sinaptica eccitatoria che proviene da un interneurone spinale, si avranno risposte diverse da parte dei motoneuroni. Il motoneurone più piccolo possiede un’area superficiale minore con un numero di canali ionici inferiore e con una più alta resistenza. Sapendo che la corrente eccitatoria post-sinaptica è proporzionale alla resistenza (dalla legge di Ohm E=IR), i neuroni più piccoli raggiungeranno la soglia scaturendo un potenziale d’azione che porta alla contrattilità delle poche fibre muscolari più piccole, a differenza dei motoneuroni più grandi che presentano una resistenza transmembrana minore e danno luogo solo ad un EPSP sottosoglia in risposta alla corrente proveniente dagli interneuroni spinali e quindi le loro fibre non vengono reclutate.

Le unità motorie più piccole sono sempre le prime ad essere reclutate, ciò perché si hanno diverse resistenze a livello delle membrane. A parità di corrente, con alta resistenza, il V è maggiore (legge di Ohm V=RI). Nei neuroni grossi ci sono più canali di sodio e quindi cambia la resistenza di membrana del neurone. I neuroni più piccoli, hanno meno canali e quindi presentano una resistenza maggiore.

Dimensione del muscolo

È determinata da:

• Dimensione delle fibre
• Bilancio di azoto, data dalla quantità di proteine (AA che contengono azoto). Affinché un muscolo si ipertrofizzi bisogna spingere verso un bilancio d’azoto positivo o aumentando la sintesi proteica o diminuendo la degradazione proteica o entrambi.

Il muscolo a riposo è estremamente costoso per l’organismo a differenza del grasso che occupa poco spazio e fornisce tanta energia. I muscoli sono estremamente sensibili al carico applicato.

Condizioni di scarico

• Riposo forzato (immobilizzazione)
• Traumi a livello nervoso
• Microgravità

Risultano in una perdita di massa e forza muscolare.

Condizioni di carico

• Esercizio

Risultano in aumento di massa e forza.

Condizioni che concorrono a influenzare l’ipertrofia muscolare

1. Nutrizione: la sola ingestione di AA stimola la sintesi proteica per 2-3h (leucina stimola la sintesi proteica).
2. Esercizio: causa un iniziale degradazione proteica che continua se non viene fornito nutrimento. L’ingestione di AA in seguito ad esercizio (in particolare esercizio di potenza/forza) stimola la sintesi proteica fino a 72h.
3. Mantenimento del dominio mionucleare: (il rapporto tra DNA/proteine deve rimanere costante): andando a fondere più cellule satelliti (iperplasia). Il muscolo scheletrico di individui che hanno sostenuto allenamento di forza per molti anni presentano un alto numero di cellule satelliti a confronto con i muscoli della popolazione di controllo che presentano un numero di cellule satelliti inferiore, ma comunque le possono aumentare grazie all’allenamento di forza.

Fattori che regolano la massa muscolare

Regolazione