Fisiologia dell'esercizio fisico

Il muscolo scheletrico e l’esercizio fisico

Muscolo scheletrico è sotto il controllo volontario, agisce sullo scheletro permettendo: locomozione, mantenimento postura, linguaggio, respirazione.

Controllo attività muscolare scheletrica

Nervi motori ⇒ il muscolo scheletrico è controllato dal SNC. In particolare ogni muscolo scheletrico è innervato da un motoneurone α, i cui corpi cellulari hanno sede nel corno ventrale del MS. Dal corno ventrale si originano gli assoni che fuoriescono dal MS, passando per la radice anteriore.

Queste fibre motorie si uniscono alle fibre sensitive derivanti dalla radice posteriore formando i nervi spinali. Questo fascio nervoso misto raggiungerà la periferia. I nervi motori si ramificheranno in prossimità del muscolo e ciascun ramo andrà ad innervare una singola fibra muscolare. La connessione fibra nervosa-muscolo determina la giunzione neuromuscolare.

Unità motorie

Unità motorie ⇒ tutti i rami nervosi che derivano da un singolo motoneurone alfa e le fibre muscolari innervate formano l’unità motoria. Essa è l’unità funzionale contrattile, poiché quando il motoneurone alfa manda l’impulso, tutte le fibre muscolari, innervate dai suoi rami e quindi costituenti l’unità motoria, si contraggono in maniera sincrona.

A seconda delle funzioni svolte dal muscolo, movimenti fini o grossolani, varia la grandezza delle unità motorie:

• Movimenti fini ⇒ unità motrici piccole, poche ramificazioni del motoneurone, quindi poche fibre muscolari innervate da 1 motoneurone alfa, es. muscoli occhio.
• Movimenti grossolani ⇒ unità motrici grandi, es. muscoli arti.

Il numero di unità motorie attivate determina il grado di contrazione. Considerando che queste unità sono distribuite omogeneamente nel muscolo, la tensione generata da un muscolo è uniforme anche quando sono attive poche unità motorie.

Minore è il numero di fibre/unità motorie, tanto più precisamente può essere controllata la forza muscolare.

Eccitazione e conseguente contrazione della fibra muscolare

A livello della giunzione neuromuscolare, il motoneurone alfa rilascia acetilcolina, la quale determina l’insorgenza di un potenziale di azione lungo tutta la fibra muscolare. La durata del potenziale nel muscolo scheletrico è < 5 ms, questa breve durata del potenziale permette una contrazione molto rapida della fibra.

Il potenziale di azione percorre il sarcolemma, raggiunge i tubuli T i quali sono collegati con 2 cisterne terminali del RS, contenenti Ca²⁺. L’arrivo del potenziale di azione stimola il rilascio di Ca²⁺ dalle cisterne terminali, con un certo ritardo rispetto al potenziale di azione, qualche ms, determinando un ↑[Ca²⁺] che raggiunge il picco a 20 ms e che provoca l’interazione ACT-MIOS. e quindi l’inizio della contrazione di scossa che sviluppa una forza chiamata forza di scossa, img. pag. 273 Berne & Levy.

Meccanismo che determina la liberazione di Ca²⁺

La liberazione di Ca²⁺ è possibile grazie all’interazione tra tubulo T – RS. Questa interazione è garantita da ponti proteici conosciuti anche come piedi, o pedicelli, img. pag. 274 B&L, i quali connettono in più punti le 2 strutture. Questi ponti proteici sono canali di membrana per il rilascio di Ca²⁺ delle cisterne terminali, in risposta a un potenziale di azione.

La proteina che costituisce questi ponti prende il nome di recettore della rianodina [RYR], in seguito alla capacità di legarsi al farmaco rianodina, ed è una grossa proteina omotetramerica, formata da 4 subunità uguali. Gran parte di questa proteina è localizzata nel mioplasma posto tra cisterna terminale – tubulo T, mentre solo una piccola porzione è immersa nella membrana del RS.

Si ritiene che ogni RYR interagisca con 4 recettori della di-idropiridina [DHRP], complessi proteici localizzati all’interno della membrana del tubulo T. Questi complessi proteici sono recettori per Ca²⁺ voltaggio dipendenti. L’arrivo di un potenziale di azione sul tubulo T determina un cambiamento di conformazione del DHRP, che a sua volta comporta l’apertura del RYR, permettendo il passaggio di Ca²⁺ dal RS al mioplasma.

Altre proteine localizzate in prossimità di RYR:

• Calsequestrina ⇒ proteina calcio fissante a bassa affinità. È localizzata nel lume delle cisterne terminali. Consente al Ca²⁺ di accumularsi a elevate concentrazioni nel lume delle cisterne terminali, creando così un gradiente di concentrazione favorevole all’efflusso di Ca²⁺ dal RS al mioplasma, quando RYR si apre.
• Triadina ⇒ posta nella membrana delle cisterne terminali e lega RYR – calsequestrina.
• Junction ⇒ posta nella membrana delle cisterne terminali e lega RYR – calsequestrina.
• HRC ⇒ proteina calcio fissante a bassa affinità. È localizzata nel lume delle cisterne terminali a concentrazioni minori rispetto alla calsequestrina.

Evento contrattile

Interazione actina-miosina: formazione ponti trasversali

La contrazione per poter avvenire ha bisogno di un ↑[Ca²⁺]. La forza, tensione, sviluppata dall’evento contrattile aumenta all’aumentare delle concentrazioni di [Ca²⁺], con andamento sigmoideo, grafico pag. 276 B&L.

Meccanismo con il quale Ca²⁺ aumenta tensione ⇒ il Ca²⁺, legandosi alla troponina C, determina un cambiamento nella conformazione dell’intera molecola che modifica la posizione della tropomiosina, esponendo i siti di interazione actina-miosina, formando così un ponte trasversale, si genera tensione.

In seguito alla stretta vicinanza tra molecole di tropomiosina contigue, al momento in cui una unità di tropomiosina modifica la sua posizione, si ha un’influenza anche sulla molecola di tropomiosina contigua, esponendo i suoi siti di interazione ACT-MIOS.

Meccanismo contrazione

4 fasi ⇒ teoria dello slittamento dei filamenti.

1. Nelle condizioni di riposo ACT-MIO non interagiscono in seguito alla presenza di tropomiosina che maschera i siti di interazione. In questo stadio la miosina presenta nel sito specifico per l’ATP: ADP-Pi.
2. Una volta che il Ca²⁺ diffonde tra le miofibrille e si lega alla troponina C, determinando un cambiamento di conformazione. Cambiando conformazione, la troponina C modifica anche la posizione della tropomiosina, smascherando i siti di interazione ACT-MIOS. A questo punto la miosina va a legarsi con l’actina, tramite il sito specifico per l’actina, costituendo un ponte trasversale.
3. Da questo legame la testa miosinica subisce un cambiamento di conformazione con conseguente rilascio di ADP-Pi. Il distacco di ADP+Pi determina la flessione della testa miosinica, che esercita una trazione sul filamento di actina, spingendolo verso il centro del sarcomero, azione di racchet. Tale azione è possibile in seguito all’orientamento bipolare della miosina.
4. Il distacco dell’ADP dalla testa miosina libera il sito di interazione per ATP e immediatamente una nuova ATP si lega alla testa miosina. Questo evento riduce l’affinità della miosina per actina, determinando il distacco della testa miosina da actina. La miosina idrolizzerà ATP ⇒ ADP + Pi e parte dell’energia viene utilizzata per riportare la testa miosina nella posizione di riposo.

Se i livelli di Ca²⁺ nel mioplasma sono ancora elevati ⇒ si ha un altro ciclo, con formazione di ulteriori ponti trasversali, producendo ulteriori contrazioni del muscolo. L’azione di racchet è in grado di muovere il filamento sottile di circa 10 nm.

Il ciclo continua fino a quando il SERCA sequestra Ca²⁺ nel RS, abbassando i livelli di Ca²⁺ intracellulare e provocando la dissociazione del Ca²⁺ dalla troponina C. Questo evento provoca il ritorno nella conformazione iniziale della troponina C e conseguentemente anche della tropomiosina che andrà a mascherare i siti di interazione ACT – MIOS.

Cosa succede se l’ATP si esaurisce? ⇒ l’esaurimento di ATP, come si verifica con la morte, blocca il ciclo nella fase 3, cioè si formano i complessi ACT – MIOS. in maniera permanente, in quanto non interviene nessuna nuova ATP a provocare la dissociazione. In questo stato il muscolo è rigido, rigor mortis.

Esistono poi delle incertezze su quante molecole di miosina contribuiscano alla generazione della forza, leggi pag. 277 B&L.

Meccanismo che determina il sequestro di Ca²⁺

Il rilasciamento del muscolo striato si ha quando viene sequestrato Ca²⁺ intracellulare nel RS. La captazione di Ca²⁺ nel RS è dovuta all’azione di una pompa Ca²⁺, Ca²⁺-ATPasi. Questa pompa è presente in tutte le cellule in associazione con il reticolo endoplasmatico e prende il nome di SERCA, Sarcoplasmic Endoplasmic Reticulum Calcium ATPase.

Il SERCA è la più abbondante proteina del RS del muscolo scheletrico ed è presente per tutta la lunghezza dei tubuli e nelle cisterne terminali. Essa trasporta 2 Ca²⁺ nel lume ogni 1 ATP idrolizzata.

Lungo i tubuli longitudinali del RS è presente una proteina calcio fissante a bassa affinità, la sarcalumenina, che si ritiene sia coinvolta nel trasferimento di Ca²⁺ dai siti di captazione nei tubuli longitudinali ai siti di rilascio nelle cisterne terminali.

Tipi fibre muscolari nel muscolo scheletrico

Nel muscolo scheletrico possiamo differenziare 2 tipologie di fibre, es. pag. 278.

Fibre scossa rapida

• IIB:
  • ATPasi miosinica “rapida”: è l’aspetto discriminante fondamentale tra fibre I e II; questo enzima comporta che la scissione di ATP, in risposta a stimolo nervoso, è più rapida nelle fibre II rispetto alle fibre I. Ciò comporta che l’energia per la contrazione è resa disponibile più rapidamente nelle fibre II che non nelle fibre I.

Le diverse isoforme delle catene pesanti di miosina, ognuna con ATP-asica diversa, sono: MHC-I ad esempio ha un’attività ATPasica 3-4 volte più bassa rispetto alla MHC-IIx mentre la MHC-IIa ha un’attività intermedia tra le due.

La stessa fibra può avere diversi tipi di ATPasi: alcune mostrano una predominanza di ST-ATPasi, MHC-I, mentre altre presentano prevalenza di FT-ATPasi, MHC-IIx e IIa, ne consegue che la forma MHC-I è caratteristica delle fibre muscolari di tipo I - la forma MHC-IIa è caratteristica delle fibre muscolari di tipo IIa – forma MHC-IIx è caratteristica delle fibre muscolari di tipo IIb.

• ↑ Enzimi glicolitici.
• ↓ Enzimi ossidativi.
• ↓ Mitocondri.
• RS molto sviluppato. Pertanto la liberazione del Ca²⁺ all’interno della cellula avviene più prontamente nelle fibre II rispetto alle I. Si ritiene che questo contribuisca a una maggiore velocità di attivazione delle fibre II, nell’uomo la velocità di attivazione fibre II è mediamente 5-6 volte superiore a quella delle fibre I. Anche se la quantità di F prodotta dalle fibre è quasi uguale, è stato visto che la P espressa da una fibra II è dalle 3-5 volte superiore a quella fibre I: ciò potrebbe spiegare in parte come i soggetti che presentano una prevalenza fibre II nei muscoli gambe siano tendenzialmente velocisti migliori rispetto a soggetti che hanno invece una maggiore percentuale di fibre I.
• Dipendenza dal metabolismo glicolitico, determina un maggior affaticamento, di conseguenza hanno una bassa resistenza aerobica e sono usate per svolgere compiti di breve periodo ad alta intensità.
• SERCA 1, presenta un’attività superiore rispetto al SERCA 2, pertanto la ricaptazione del Ca²⁺ nel RS avviene molto più rapidamente nelle fibre II rispetto alle I, e di conseguenza hanno velocità di rilasciamento maggiore.
• Isoforma troponina C presenta 2 siti interazione con Ca²⁺ ad alta affinità.

IIa ⇒ vengono definite “intermedie” per il fatto di avere caratteristiche comuni ad entrambe le tipologie, lente-rapide, hanno perciò ↑ capacità glicolitica – ossidativa, ma sono scarsamente presenti nell’uomo mentre più comuni negli altri mammiferi.

Fibre scossa lenta (tipo I)

• ATPasi miosinica lenta.
• ↓ Enzimi glicolitici.
• ↑ Enzimi ossidativi.
• ↑ Mitocondri.
• RS meno sviluppato rispetto a fibre II.
• Dipendenza dal metabolismo ossidativo, possibile grazie a ↑ mitocondri e ↑ enzimi ossidativi, tra quest’ultimi si ha una ↑ mioglobina, proteina che permette trasporto di O intracellulare e che presenta il gruppo EME, come per l’emoglobina, determina il caratteristico colore rosso di queste fibre.

Fin quando sono possibili i processi ossidativi, le fibre ST producono ATP che consente alle fibre di rimanere attive. La capacità di mantenere l’attività muscolare per un periodo prolungato di tempo è denominata resistenza muscolare: le fibre ST possiedono un’elevata resistenza aerobica. Per questo motivo vengono reclutate prevalentemente durante prestazioni di resistenza a bassa intensità, es. maratona, e durante la maggior parte delle attività giornaliere che richiedono scarsa F muscolare, es. cammino.

• SERCA 2.
• Isoforma troponina C presenta 1 sito interazione con Ca²⁺ a bassa affinità, di conseguenza fibre I iniziano a sviluppare tensione a concentrazioni Ca²⁺ minori rispetto a fibre II che hanno isoforma troponina C con 2 siti legame Ca²⁺.

Altre differenze, tab. pag. 279 B&L.

La maggior parte dei muscoli è mediamente composta:

• 50% ⇒ Tipo I.
• 25% ⇒ Tipo IIa.
• 25% ⇒ Tipo IIb.

Le percentuali esatte dei tipi di fibre variano notevolmente nei diversi muscoli e da individuo a individuo. In genere però, la composizione di fibre è simile nel braccio e nella gamba di uno stesso individuo. Alcuni ricercatori hanno dimostrato che persone con una predominanza fibre I nei muscoli gambe hanno probabilmente un’alta percentuale di fibre I nei muscoli braccia, stessa relazione è valida nel caso siano le fibre I prevalenti. Tuttavia esistono alcune eccezioni, ad es. il muscolo soleo è composto quasi esclusivamente da fibre I in tutti gli individui.

Determinazione del tipo di fibra

Determinazione del tipo di fibra ⇒ nella maggior parte dei casi, la composizione delle fibre muscolari è geneticamente determinata e cambia poco dall’infanzia all’età adulta, gemelli monozigoti possiedono quasi la stessa composizione di fibre, mentre presentano profili diversi in gemelli dizigoti. Il patrimonio genetico va a determinare quali motoneuroni innervano ciascuna fibra muscolare: quando si è stabilita l’innervazione, le fibre muscolari si differenziano secondo il tipo di nervo dal quale vengono stimolate.

L’allenamento di resistenza, forza e l’inattività muscolare possono causare una modificazione nelle isoforme di miosina che dipende dalla disponibilità temporale di [Ca²⁺] intracellulare:

• Concentrazioni [Ca²⁺] costanti ⇒ fibre ST.
• Concentrazioni [Ca²⁺] intermittenti ⇒ fibre FT.

A seconda della differente concentrazione di Ca²⁺ nell’unità di tempo si determina attivazione di vie signalling differenti, tra cui quella della calcineurina.

Pertanto l’allenamento può indurre piccole variazioni, forse <10%, nelle percentuali di fibre ST e FT. Inoltre, è stato dimostrato che l’allenamento di resistenza induce una riduzione della percentuale fibre IIb ed un aumento valore percentuale fibre IIa, intermedie.

L’invecchiamento può provocare una modificazione nella distribuzione delle fibre ST e FT: con l’invecchiamento i muscoli tendono a perdere le unità motorie FT, il che determina un incremento percentuale di fibre ST.

Tipo di fibra e successo nello sport

Tipo di fibra e successo nello sport ⇒ la composizione delle fibre muscolari nei fondisti e velocisti è decisamente diversa, tab. pag. 58.

Muscoli gambe fondisti ⇒ predominano fibre ST, es. pag. 59. Oltre a predominare tale tipologia di fibre, l’area della sezione trasversa di una di queste fibre è mediamente superiore del 22% rispetto a quella per le fibre FT.

Muscoli gambe velocisti ⇒ predominano fibre FT.

I nuotatori hanno tendenzialmente una prevalenza di fibre ST nelle braccia, 60-65%, rispetto a soggetti sedentari, 45-55%, ma non è presente una sostanziale differenza tra buoni nuotatori e nuotatori di alto livello.

Tuttavia non è solo la predominanza del tipo di fibra che determina la predisposizione a divenire campioni su breve o lunghe distanza, ma entrano in gioco anche altri fattori come: funzionalità cardiovascolare – motivazione – allenamento – dimensione dei muscoli.

Modulazione forza di contrazione

Unità motoria

Tutte le fibre muscolari possono essere innervate da 1 solo motoneurone alfa, le fibre che sono innervate dallo stesso motoneurone alfa costituiscono l’unità motoria. Una unità motoria è costituita pertanto dalla stessa tipologia di fibra muscolare, tipo I o II, e l’eccitazione del motoneurone che innerva una certa unità motoria attiva contemporaneamente tutte le fibre di quella unità motoria. Distinguiamo:

• Unità motorie lente (10-180 fibre) ⇒ costituite da fibre tipo I innervate da un motoneurone facilmente eccitabile.
• Unità motorie rapide (300-800 fibre) ⇒ costituite da fibre tipo II innervate da un motoneurone scarsamente eccitabile.

Questa differenza nell’assetto delle unità motorie implica che, quando un singolo motoneurone ST stimola le proprie fibre, il numero di fibre muscolari che si contraggono è decisamente inferiore rispetto a quando è un motoneurone FT a stimolare le proprie fibre. Dunque, le fibre FT raggiungono il picco di tensione più rapidamente e collettivamente producono più forza delle fibre ST.

Di conseguenza, la grandezza dell’unità motrice (quindi