Fisiologia generale - contrazione muscolare

μM

2. 2. Il muscolo si rilascia quando la [Ca2+] torna ai valori di riposo, ma solo in presenza di MgATP

3. 3.L’inibizione dell’interazione della miosina con l’actina è dovuta alle proteine regolatrici sul filamento sottile

(troponina-tropomiosina) ed è rimossa dall’aumento della [Ca2+] e quindi dalla formazione dei cross-bridges

(azione cooperativa)

Accoppiamento eccitazione-contrazione: quando un potenziale d'azione arriva alla giunzione neuromuscolare,

determina il rilascio di acetilcolina dalle terminazione del motoneurone. L'acetilcolina si lega a recettori post-sinaptici

causando l'apertura di canali ionici nella fibra muscolare. La corrente che fluisce attraverso i canali ha un potenziale di

inversione più positivo della soglia delle fibre muscolari, generando così un nuovo potenziale d'azione che si propaga

dalla placca motrice in tutte le direzioni, eccitando completamente la membrana della fibra muscolare e innescando una

sequenza di eventi che porta alla contrazione. Ogni volta che un PA si propaga lungo una fibra muscolare si verifica una

scossa o breve contrazione, a distanza di pochi millisecondi l'uno dall'altro, ed è questo periodo quello in cui si verifica

l'accoppiamento eccitazione-contrazione. Lo stesso PA viene condotto all'interno della cellula, dove causa il rilascio di

Ca2+ intracellulare dai serbatoi di deposito interni che circondano le miofibrille; l'aumento di concentrazione di Ca

libero nel sarcoplasma consente ai ponti trasversi di miosina di attaccarsi ai filamenti sottili di actina e sviluppare forza.

Tubuli T: in un muscolo di rana, intorno a ogni miofibrilla a livello della linea Z decorre un tubulo trasverso delimitato

da membrana di diametro inferiore a 0,1 um che si ramifica in modo tale da risultare continuo con i tubuli che

circondano le miofibrille vicine nello stesso sarcomero. Il sistema di tubuli T rappresenta il collegamento anatomico tra

la membrana superficiale e le miofibrille all'interno della fibra muscolare. Quando Huxley nel suo esperimento, poneva

la micropipetta stimolante sulle linee Z, all'ingresso di un tubulo T, la corrente depolarizzante diffondeva lungo il tubulo

e avviava la contrazione all'interno della fibra muscolare. Le contrazioni erano limitate ai 2 emisarcomeri

immediatamente adiacenti alla linea Z sulla quale era posizionato l'elettrodo.

Il sistema dei tubuli T (invaginazioni del sarcolemma in corrispondenza della linea Z o della giunzione banda A-banda I) associato

alle cisterne terminali del SR garantisce la rapida propagazione dell’eccitazione elettrica dalla superficie verso l’interno della fibra

muscolare e riduce a circa 1 μm la distanza per la diffusione del Ca2+ al substrato contrattile.

Reticolo sarcoplasmatico: è un secondo sistema di membrane intracellulari, oltre al sistema dei tubuli T. Nel muscolo

di rana, il RS forma un collare vuoto intorno a ogni miofibrilla su entrambi i lati da una linea Z a quella successiva. Le

cisterne terminali del RS stabiliscono un intimo contatto con i tubuli T; infatti quando un PA si propaga all'interno di un

tubulo T, esso causa il rilascio di ioni Ca2+ accumulati nel RS adiacente. L'accumulo di Ca operata dal RS è importante

al punto di mantenere la concentrazione di Ca libero nel citoplasma delle fibre muscolari a riposo al di sotto di 10^-7,

concentrazione sufficiente ad allontanare tutto il calcio legato alla troponina e impedire la contrazione. In condizioni di

riposo il Ca2+ all'interno del RS è legato a una proteina chiamata calsequestrina, riducendo la concentrazione di Ca

libero. Si pensa che la contrazione muscolare inizi quando il RS rilascia il Ca2+ nel citoplasma, e ciò si verifica quando

i PA generati sulla superficie della membrana sono trasferiti all'interno dei tubuli T e del RS.

Secondo gli esperimenti di Chandler, venne ipotizzato che la depolarizzazione del tubulo T causi la rimozione di un

tappo dai canali del Ca della membrana del RS, consentendo al Ca di raggiungere il mioplasma spinto dal si gradiente

elettrochimico. Quando la membrana del tubulo si ripolarizza, il tappo viene ripristinato, arrestando l'ulteriore rilascio di

calcio. I tubuli T presentano sulla membrana recettori per la diidropiridina, voltaggio dipendenti, i quali in seguito a

depolarizzazione, cambiano conformazione e rimuovono meccanicamente il recettore per la rianodina dai canali

specifici per il calcio della membrana del RS o induce nel recettore della rianodina un cambiamento conformazionale

che apre i canali. Altri canali della rianodina sono attivati dal calcio stesso rilasciato in seguito all'apertura meccanica

dei primi canali. La maggior parte del calcio che fuoriesce dal RS si lega velocemente alla troponina; la piccola quantità

di calcio che rimane libera viene ripompato dentro il RS, con riduzione della sua concentrazione, e quando essa diventa

troppo bassa, il calcio legato alla troponina viene rilasciato nel citoplasma e rimpompato anch'esso dentro il RS dove si

lega alla calsequestrina.

Modello meccanico: una fibra muscolare o muscolo intero possono essere rappresentati da un modello meccanico che

include una componente contrattile (sarcomeri) e una componente elastica (es. tendini). La componente elastica in

parallelo può essere rappresentata dalla membrana plasmatica delle fibre muscolari e dei tessuti connettivi che

decorrono in parallelo con le fibre stesse. C'è inoltre una componente elastica in serie rappresentata costituita dai tendini

e dal tessuto connettivo che connette le fibre ai tendini. Immaginando che questo modello sia legato ad un peso avremo

questa sequenza di eventi:

1) all'inizio della contrazione il peso poggia su una superficie.

2) Non appena i filamenti spessi e sottili iniziano a scorrere l'uno sull'altro la tensione aumenta, e le componenti

elastiche della serie vengono stirate, ma la lunghezza del muscolo non è ancora cambiata. La contrazione da

questo punto è isometrica.

3) Non appena il muscolo sviluppa la tensione (forza) uguale al peso del carico, il carico viene sollevato e la

contrazione diventa isotonica. Col progredire della contrazione, il grado di sovrapposizione dei filamenti spessi

e sottili aumenta e un maggior numero di ponti trasversi diventa attivo.

Periodo latente: comprende il tempo richiesto per l'instaurarsi di un potenziale d'azione, la sua propagazione nei tubuli

T, il rilascio di Ca dal RS e la diffusione degli ioni calcio tra le molecole di troponina, il legame del Ca alla troponina,

l'attivazione di ponti trasversi della miosina e il loro legame ai ponti sottili di actina e lo sviluppo della forza.

Stato attivo: aumento di capacità di sollevare un carico, cioè la tensione, misurato mediante esperimenti di stiramento

rapido. Corrisponde alla formazione dei legami tra i ponti trasversi di miosina e i filamenti sottili di actina e al

conseguente accorciamento minimo interno prodotto dai ponti trasversi. Essendo l'attività dei ponti controllata dalla

concentrazione sarcoplasmatica di Ca libero, si ritiene che l'andamento temporale dello stato attivo corrisponda

approssimativamente ai cambiamenti della concentrazione sarcoplasmatica di Ca in seguito alla stimolazione.

Scossa semplice: breve aumento di tensione dovuto all'attività dei ponti trasversi. Durante questo tipo di scossa lo stato

attivo cessa rapidamente in seguito all'azione di RS che sequestra gli ioni Ca2+ subito dopo il suo rilascio, per cui lo

stato attivo inizia a decadere prima che i filamenti abbiano fatto in tempo a scorrere abbastanza da stirare gli elementi

elastici in serie e sviluppare la massima tensione. Per questo motivo una scossa semplice non può realizzare tutta la

tensione che il sistema contrattile è in grado di sviluppare.

Tetano: prolungamento dello stato attivo attraverso un treno di potenziali d'azione ad alta frequenza. Se il primo PA è

seguito dal secondo prima che il RS possa rimuovere il calcio precedentemente rilasciato, il livello citoplasmatico del

calcio rimane elevato e lo stato attivo si prolunga. La tensione isometrica continua ad aumentare fino a quando la

tensione prodotta per l'accorciamento degli elementi contrattili e lo stiramento degli elementi elastici in serie è appena

sufficiente a causare lo scorrimento dei ponti trasversi e a prevenire l'ulteriore accorciamento degli elementi contrattili;

il muscolo ha quindi raggiunto la tensione tetanica.

Energetica della contrazione muscolare

Il dispendio di energia è richiesto in 2 processi fondamentali nella contrazione; il primo è l'idrolisi dell'ATP da parte dei

ponti trasversi della miosina (quando si staccano e attaccano ai filamenti di actina), e il secondo è il pompaggio contro

gradiente degli ioni Calcio dal sarcoplasma al RS. Per pompare uno ione calcio sono richieste 2 molecole di ATP.

ATPasi miosinica: è stato misurato col muscolo di rana tetanizzato, il consumo di ATP da parte delle ATPasi

miosiniche. Durante la contrazione muscolare circa il 25/30% dell'attività ATPasica complessiva è utilizzata dalle

pompe per il calcio.

Rigenerazione dell'ATP: dato che le concentrazioni di ATP nel muscolo stimolato e non stimolato sono quasi

identiche, le fibre muscolari devono contenere una molecola ricca di energia. Essa è la creatina fosfato (fosfocreatina).

L'attività dell'enzima creatina fosfochinasi trasferisce un fosfato ad alta energia dalla creatina fosfato all'ADP

rigenerando ATP così rapidamente che la sua concentrazione rimane costante.

Classificazione delle fibre

Nei vertebrati sono stati classificati 4 tipi principali di fibre muscolari scheletriche, ovvero le fibre toniche e 3 tipi di

fibre fasiche.

Fibre muscolari toniche: si contraggono molto lentamente; si trovano nei muscoli posturali di anfibi, rettili, uccelli e

nei fusi neuromuscolari e extraoculari dei mammiferi. In queste fibre, i ponti trasversi della miosina si attaccano e

staccano molto lentamente, e ciò spiega la velocità di accorciamento estremamente bassa e la capacità di sviluppare

tensione isometrica in modo efficace.

Fibre fasiche lente (tipo 1): si contraggono e affaticano lentamente. Si trovano nei muscoli posturali dei mammiferi e

hanno una Vmax da lenta a moderata, e movimenti lenti degli ioni calcio. Rispondono a impulsi provenienti dal

motoneurone con contrazioni di tipo tutto-o-nulla e generano PA tutto-o-nulla. La fatica si manifesta lentamente per

l'alto numero di mitocondri e una ricca vascolarizzazione, e utilizzano ATP a una velocità relativamente bassa. Sono

rosso bruno per l'elevata concentrazione di mioglobina. Muscoli con alta percentuale di questa fibra sono detti muscoli

rossi.

Fibre fasiche ossidative (tipo 2a): si contraggono velocemente ma si affaticano lentamente perchè hanno molt

mitocondri e quindi producono velocemente ATP per fosforilazione ossidativa. Sono specializzate per movimenti rapidii

e ripetitivi.

Fibre fasiche rapide glicolitiche (