Fisiologia generale - contrazione muscolare

Contrazione muscolare

La maggior parte dei muscoli si contrae quando i neuroni inviano loro dei segnali innescando una serie di eventi che consentono al muscolo di generare forza e diventare più corto. Dal punto di vista funzionale, i muscoli vengono suddivisi in lisci e striati (a sua volta divisi in muscoli scheletrici e cardiaci). Il muscolo può muovere le parti di un animale perché ogni estremità del muscolo è attaccata ad un osso o a qualche altra struttura, e quando un muscolo si accorcia, la relazione tra i punti di ancoraggio cambia. Il muscolo è fissato alle estremità grazie a un fascio di tessuto connettivo chiamato tendine. Ogni muscolo è composto da cellule plurinucleate chiamate fibre muscolari disposte in parallelo (quelle striate hanno diametri tra 5 e 100 μm e una lunghezza di diversi cm).

Sviluppo delle fibre muscolari

Ogni fibra si origina da cellule muscolari embrionali dette mioblasti, che si fondono a formare unità plurinucleate dette miotubi. Ogni miotubo, delimitato da una singola membrana plasmatica, contiene al suo interno molti nuclei e si differenzia in una fibra muscolare adulta chiamata miofibra. Ogni fibra è composta da subunità parallele dette miofibrille, che consistono in unità ripetute longitudinalmente chiamate sarcomeri. Ogni sarcomero è delimitato alle estremità da una linea Z che contiene alfa-actinina; dalla linea Z si diramano in entrambe le direzioni numerosi filamenti sottili costituiti dalla proteina actina. Questi filamenti sottili sono intercalati con i filamenti spessi costituiti dalla proteina miosina.

Struttura del sarcomero

L'insieme di filamenti spessi e sottili costituisce la porzione più spessa del sarcomero detta banda A. La regione chiara al centro della banda A è detta zona H e contiene solo filamenti sottili. Al centro della zona H c'è la linea M, che contiene importanti enzimi del metabolismo energetico. La porzione di sarcomero compresa tra le 2 bande A è detta banda I. Nella sezione di sovrapposizione, ogni filamento di miosina è circondato da 6 filamenti di actina; i filamenti di miosina presentano ponti trasversi (cross-bridges) che durante la contrazione prendono contatto coi filamenti di actina. I ponti trasversi sono a gruppi di 3 e la distanza tra i gruppi è circa 14,1 nm e un angolo di 120°.

Struttura delle proteine muscolari

Ogni filamento di actina somiglia a 2 fili di perle avvolte a spirale, di cui ogni perla è una molecola di actina G, le quali polimerizzano formando filamenti di actina F. Essa ha un passo di 73 nm, quindi i filamenti si incontrano ogni 36,5 nm. Nei solchi della doppia elica si trovano le molecole filamentose della tropomiosina. Ogni 40 nm si trova un complesso di proteina globulari chiamato troponina legato alla tropomiosina.

Una molecola di miosina è composta da 2 catene pesanti identiche lunghe circa 150 nm e larghe 2 nm, e da diverse catene leggere. Un'estremità della molecola di miosina forma la testa (costituita da 2 proteine globulari di 20 nm e larghe 4 nm). La porzione lunga e sottile costituisce la coda. Le catene leggere sono proteine che legano il calcio. Quando sono trattate con l'enzima proteolitico Tripsina, le molecole di miosina si separano in 2 parti chiamate meromiosina leggera (LMM) e meromiosina pesante (HMM). La LMM costituisce la maggior parte della regione della coda mentre la HMM include la testa globulare e il collo.

Le molecole di miosina si aggregano con le code sovrapposte e le teste che sporgono in direzioni opposte. La zona nuda nella regione centrale dei filamenti spessi è implicata nel comportamento contrattile del muscolo. Il filamento si accresce man mano che alle estremità vengono ad aggiungersi molecole di miosina con le code orientate verso il centro del filamento e sovrapposte alle code delle molecole già presenti. L'aggregazione continua fino a raggiungere la lunghezza di 1,5 nm e lo spessore di 12 nm.

Teoria dello slittamento dei filamenti

Questa teoria afferma che durante la contrazione l'accorciamento del sarcomero si realizza come conseguenza dello slittamento attivo dei filamenti sottili (actina) sui filamenti spessi (miosina). Il processo comporta l'avvicinamento dei filamenti di actina verso il centro del sarcomero e poiché i filamenti sottili sono ancorati alle linee Z, i sarcomeri si accorciano. Quando invece il muscolo si rilascia o viene stirato, si riduce la sovrapposizione tra filamenti sottili e spessi e il sarcomero si allunga.

Questa teoria era stata osservata tramite il comportamento delle bande chiare e scure al MCF; durante l'accorciamento l'ampiezza della banda A rimane costante mentre quella della banda I e della banda H si riducono. Di conseguenza cambia la sovrapposizione ma non la lunghezza dei filamenti.

Una delle prove a favore della teoria è la relazione lunghezza-tensione di un sarcomero: la curva lunghezza-tensione mette in relazione il grado di sovrapposizione dei filamenti di actina e miosina con la tensione attiva sviluppata dal sarcomero, ai vari gradi di sovrapposizione. Coerentemente con la teoria dello scorrimento, ogni ponte trasverso di miosina che interagisce con un filamento di actina genera una forza indipendentemente da tutti gli altri ponti e produce un incremento di tensione. La tensione totale prodotta dovrebbe quindi essere proporzionale al numero di ponti trasversi che possono interagire coi filamenti di actina, e questo numero dovrebbe a sua volta essere proporzionale al grado di sovrapposizione dei filamenti spessi con quelli sottili. Inoltre non si può sviluppare una tensione attiva se il sarcomero viene stirato fino al punto in cui non vi è più sovrapposizione tra filamenti di actina e miosina.

Chimica dei ponti trasversi

Per generare forza, i ponti trasversi della miosina devono legarsi ai siti di legame presenti sui filamenti di actina e deve essere anche possibile il loro distacco. I ponti trasversi devono attaccare e staccare dai filamenti sottili in modo ciclico. Quando actina e miosina si legano in assenza di ATP formano un complesso actomiosina (AM). L'aggiunta di ATP causa la dissociazione del complesso in actina e miosina-ATP. (in assenza di ATP la miosina e l'actina rimangono legate provocando la rigidità tipica del rigor mortis). Quando l'ATP si lega alla miosina viene rapidamente idrolizzata ad ADP e Pi ma i prodotti dell'idrolisi si staccano lentamente dalla miosina. Il rilascio è notevolmente accelerato dal legame con l'actina che probabilmente cambia la conformazione della miosina. Dato che il legame dell'actina al complesso miosina-ADP-Pi libera energia, la formazione di actomiosina è favorita cineticamente. La combinazione di queste reazioni produce un ciclo di attacco e distacco il cui effetto netto è scindere una molecola di ATP in ADP e Pi con liberazione di energia.

Sviluppo della forza nei ponti trasversi

Come fanno i ponti trasversi a sviluppare una forza che permette ai filamenti spessi e sottili di scorrere l'uno sull'altro? La teoria più accettata è che sia una rotazione della testa della miosina a produrre la forza, e che questa forza venga trasmessa al filamento spesso tramite il collo della miosina, che collega la testa al filamento spesso. Il collo agisce quindi come un raccordo del ponte trasverso tra la testa della miosina e il filamento spesso, trasmettendo a quest'ultimo la forza prodotta dalla rotazione della testa sul filamento di actina. Quando la testa della miosina ruota contro il filamento di actina, il legame che è elasticamente stirato immagazzina energia meccanica.

La rotazione si verifica quando i 4 siti presenti sulla testa della miosina (M1, M2, M3, M4) interagiscono in sequenza con i siti del filamento di actina. Dopo che la testa si è attaccata al sito M1 viene favorita la sua rotazione in modo che attacchi il sito M2, poi M3 e infine M4. Una volta stirato, il legamento trasmetterebbe la sua tensione al filamento spesso, fornendo la forza necessaria allo scorrimento dei filamenti. Quando la rotazione della testa è completa, la testa della miosina si stacca dal filamento di actina e riassume la posizione rilasciata. Affinché si attui il distacco è necessario che l'ATP si leghi al sito dell'ATPasi della regione della testa, dove viene idrolizzato e ne segue un cambio conformazionale della testa della miosina che resta in uno stato energizzato. Può quindi stabilire un altro legame con un sito dell'actina, un po' più avanti sul filamento sottile. Il ciclo si ripete più volte e i filamenti scorrono l'uno sull'altro in tappe successive di attacco, rotazione e distacco dei numerosi ponti trasversi presenti in ogni filamento spesso.

Working stroke

Il working stroke consiste in un movimento tra domini della miosina (motore miosinico) 2, in cui il dominio delle catene leggere ruota attorno a un fulcro sul dominio catalitico rigidamente attaccato all'actina. L'azione di leva del dominio delle catene leggere amplifica il movimento trasformando la rotazione in scorrimento reciproco di 10 nm.

Meccanica della contrazione muscolare

Contrazione isometrica

Contrazione: attivazione dei muscoli e conseguente sviluppo di forza. Contrazione isometrica: cioè a lunghezza costante. La lunghezza del muscolo è tenuta fissa in modo da prevenire l'accorciamento. La forza isometrica scala in proporzione alla riduzione della sovrapposizione tra filamenti e quindi al numero dei cross-bridges in parallelo in ogni emisarcomero (unità funzionale per la forza).

• L’accorciamento del muscolo (e la velocità) sono il prodotto dell’accorciamento di ogni emisarcomero per il numero di emisarcomeri (posti in serie tra loro). In ogni emisarcomero l’accorciamento dovuto al working stroke nel cross-bridge (10 nm) è amplificato dall’azione ciclica dei cross-bridges.

Contrazione isotonica

Contrazione isotonica: a tensione costante. Contrazione nella quale la forza sviluppata rimane costante mentre il muscolo si accorcia.

Registrazioni isotoniche con post-carico: Il muscolo è posto ad una lunghezza predeterminata e il carico è avvertito dal muscolo quando raggiunge una forza uguale e comincia ad accorciarsi ad una velocità costante che aumenta con la riduzione del carico.