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 ATT.MUSC.SCH.

Nervi motori  il musc.scheletrico è controllato dal SNC. In particolare ogni musc.sch. 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 x

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  Tutti i RAMI NERVOSI che derivano da un singolo motoneurone alfa e

le FIBRE MUSCOLARI innervate, formano l’UNITA’ 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 della funzioni svolte dal muscolo (MOVIMENTI FINI – GROSSOLANI), varia la

grandezza delle UNITA’ MOTORIE:

MOVIMENTI FINI  UNITA’ MOTRICI piccole (poche ramificazione del

o motoneurone, quindi  poche fibre muscolare innervate da 1 motoneurone alfa)

(es.muscoli occhio)

MOVIMENTI GROSSOLANI  UNITA’ MOTRICI grandi (es.muscoli arti)

o

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 UNITA’

MOTORIE.

MINORE è il NUMERO DI FIBRE/UNITA’ MOTORIE, tanto più precisamente può

essere controllata la FORZA MUSCOLARE.

ECCITAZIONE e conseguente CONTRAZIONE della fibra muscolare

A livello della GIUNZ.NEUROMUSCOLARE, il motoneurone alfa rilascia acetilcolina, la

quale determina l’insorgenza di un POTENZ. DI AZIONE lungo tutta la fibra muscolare. La

durata del potenziale nel musc.sch. è < 5ms, questa breve durata del potenziale, permette

una contrazione molto rapida della fibra.

Il pot.azione percorre il SARCOLEMMA, raggiunge i TUBULI T i quali sono collegati con 2

2+

CISTERNE TERMINALI del RS, contenenti Ca . L’arrivo del pot.azione stimola il rilascio

2+

di Ca dalle CISTERNE TERMINALI, con un certo ritardo rispetto al potenziale azione

2+

(qualche ms), determinando un ↑[Ca ] (che raggiunge picco a 20ms) 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).

2+

Meccanismo che determina la liberazione di Ca

2+

La liberazione di Ca è possibile grazie all’interazione tra TUBOLO 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

2+

sono canali di membrana x rilascio di Ca delle CISTERNE TERMINALI, in risposta a un

POT.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 – TUBOLO T, mentre solo

una piccola porzione è immersa nella MEMB. RS.

Si ritiene che ogni RYR interagisca con 4 recettori della di-idropiridina [DHRP],

complessi proteici localizzati all’interno della memb. del TUBOLO T. Questi complessi

2+

proteici sono recettori x Ca voltaggio dipendenti. L’arrivo di un pot.azione sul TUBOLO

T, determina un cambiamento di conformazione del DHRP, che a sua volta comporta

2+

l’apertura del RYR, permettendo il passaggio di Ca dal RS al MIOPLASMA.

Altre proteine localizzate in prossimità di RYR:

CALSEQUESTRINA  proteina calcio fissante a bassa affinità. È localizzata nel

 2+

lume delle CISTERNE TERMINALI. Consente al Ca di accumularsi a elevate

concentrazioni nel lume delle CISTERNE TERMINALI, creando così un gradiente

2+

di concentrazione favorevole all’efflusso di Ca dal RS al MIOPLASMA, quando

RYR si apre.

TRIADINA  posta nella memb. delle CISTERNE TERMINALI e legano RYR –

 CALSEQUESTRINA.

JUNCTION  posta nella memb. delle CISTERNE TERMINALI e legano 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

2+

La CONTRAZIONE x poter avvenire ha bisogno di un ↑[Ca ]. La FORZA (tensione)

2+

sviluppata dall’evento contrattile aumenta all’aumentare delle concentrazioni di [Ca ], con

andamento sigmoideo (grafico pag.276 B&L).

2+ 2+

Meccanismo con il quale Ca aumenta TENSIONE  il Ca 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 contingua, esponendo i suoi siti di interazione ACT-

MIOS.

Meccanismo contrazione

4 fasi  TEORIA DELLO SLITTAMENTO DEI FILAMENTI

Nelle condizioni di RIPOSO ACT-MIO non interagiscono in seguito alla presenza

1. di TROPOMIOSINA che maschera i siti di interazione. In questo stadio la MIOSINA

presenta nel sito specifico x l’ATP: ADP-Pi.

2+

Una volta che il Ca diffonde tra le miofibrille e si lega alla TROPONINA C,

2. 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 x

l’actina, costituendo un PONTE TRASVERSALE.

Da questo legame la TESTA MIOSINICA subisce un cambiamento di

3. 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 RACHET). Tale azione è possibile in seguito all’orientamento bipolare della

miosina

Il distacco dell’ADP dalla TESTA MIOSINA libera il sito di interazione x ATP e

4. immediatamente un nuova ATP si lega alla TESTA MIOSINA. Questo evento

riduce l’affinità della MIOSINA x ACTINA, determinando il distacco della TESTA

MIOSINA da ACTINA.

La MIOSINA idrolizzerà ATP  ADP + Pi e parte dell’energia viene utilizzata x

riportare la TESTA MIOSINA nella posizione di riposo.

2+

Se i livelli di Ca nel mioplasma sono ancora ELEVATI  si ha un altro ciclo, con

formazione di ulteriori PONTI TRASVERSALI, producendo ulteriori contrazioni del

muscolo. L’AZIONE DI RACHET è in grado di muovere il FILAMENTO SOTTILE di circa

10nm. 2+ 2+

Il ciclo continua fino a quando il SERCA sequestra Ca nel RS, abbassando i livelli di Ca

2+

intracellulare e provocando la dissociazione del Ca dalla TROPONINA C. Questo

evento provoca il ritorno nella conformazione iniziale della TROPONINA C e

conseguentemente anche della TROPOMIOSINA che andrà 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). 2+

Meccanismo che determina il sequestro di Ca 2+

Il rilasciamento del muscolo striato, si ha quando viene sequestrato Ca intracellulare

nel RS. 2+ 2+ 2+

La captazione di Ca nel RS è dovuta all’azione di una pompa Ca (Ca -ATPasi).

Questa pompa è presente in tutte le cellule in associazione con il ret.endoplasmatico e

prende il nome di SERCA (Sarcoplasmic Endoplasmic Reticulum Calcium ATPase). Il

SERCA è la più abbondante proteina del RS del musc.scheletrico ed è presente x tutta

2+

la lunghezza dei TUBULI e nelle CISTERNE TERMINALI. Essa trasporta 2 Ca nel

lume ogni 1 ATP idrolizzata.

Lungo i tubuli longitudinali del RS è presente una proteina calcio fissante a bassa

2+

affinità, la SARCALUMENINA, che si ritiene sia coinvolta nel trasferimento di Ca dai

siti di captazione nei TUBULI LONGITUDINALI ai siti di rilascio nelle CISTERNE

TERMINALI.

TIPI FIBRE MUSCOLARI NEL MUSCOLO SCHELETRICO

Nel m.scheletrico possiamo differenziare 2 tipologie di fibre (es.pag.278):

Fibre scossa rapida:

 IIB:

o 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 x 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

 2+

RS molto sviluppato. Pertanto la liberazione del Ca all’interno della

 cell. 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 vel.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 m.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 x svolgere compiti di breve periodo ad alta

intensità.

SERCA 1, presenta un’attività superiore rispetto al SERCA 2, pertanto

 2+

la ricaptazione del Ca nel RS avviene molto più rapidamente nelle

fibre II rispetto alle I, e di conseguenza hanno velocità di

rilasciamento maggiore. 2+

isoforma TROPONINA C presenta 2 siti interazione con Ca ad alta

 affinità.

IIa  vengono definite “intermedie” x il fatto di avere caratteristiche comuni ad

o 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

o ↓enzimi glicolitici

o ↑enzimi ossidativi

o ↑mitocondri

o RS meno sviluppato rispetto a fibre II

o dipendenza dal metabolismo OSSIDATIVO, possibile grazie a

o ↑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 x

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’att.muscolare x 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 att.giornaliere che richiedono scarsa F muscolare (es.cammino).

SERCA 2

o 2+

isoforma TROPONINA C presenta 1 sito interazione con Ca a bassa

o affinità, di conseguenza fibre I iniziano a sviluppare tensione a

2+

concentrazioni Ca minori rispetto a fibre II che hanno isoforma

2+

TROPONINA C con 2 siti legame Ca .

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

La maggior parte dei muscoli è MEDIAMENTE composta:

50%  tipo I

o 25%  tipo IIa

o 25%  tipo IIb

o

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 m. gambe hanno probabilmente un’alta percentuale

di fibre I nei m.braccia (stessa relazione è valida nel caso siano le fibre I prevalenti).

Tuttavia esistono alcune eccezioni, ad es. il M.SOLEO è composto quasi esclusivamente

da fibre I in tutti gli individui.

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 n. dal quale

vengono stimolate.

L’allenamento di resistenza, forza e l’inattività muscolare, possono causare una

modificazione nelle isoforme di miosina che dipende dalla DISPONIBILITA’

2+

TEMPORALE DI [Ca ]intracell.:

2+

Concentrazioni [Ca ] COSTANTI fibre St.



o 2+

Concentrazioni [Ca ] INTERMITTENTI fibre Ft.



o 2+

A seconda della differente concentrazione di Ca 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 m. tendono a perdere le unità motorie FT, il che

determina un incremento percentuale di fibre ST.

TIPO DI FIBRA E SUCCESSO NELLO SPORT  La composizione delle fibre muscolari

nei fondisti e velocisti è decisamente diversa (tab.pag.58):

M.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 x le fibre FT.

M.GAMBE VELOCISTI  predominano fibre FT.

I nuotatori hanno tendenzialmente una prevalenza di fibre ST nelle braccia (60-65%)

rispetto a sogg.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: FUNZ.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 innervata dallo stesso motoneurone alfa costituiscono l’UNITA’ 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 UNITA’ MOTORIA, attiva

contemporaneamente tutte le fibre di quella unità motoria. Distinguiamo:

UNITA’ MOTORIE LENTE (10-180 fibre) costituite da fibre tipo I innervate da un

motoneurone facilmente eccitabile.

UNITA’ 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 m. 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