Fisiologia umana - fisiologia del muscolo

IL MECCANISMO CHE GENERA FORZA NEL MUSCOLO

Il muscolo si contrae perché i filamenti spessi e sottili delle miofibrille scorrono uno sull’altro. Più

precisamente si usa definire il meccanismo della contrazione muscolare come il meccanismo

dello scorrimento dei filamenti.

Il ciclo dei ponti trasversali nella generazione della forza

Questo meccanismo è conosciuto come ciclo dei ponti trasversali e si fonda sull’azione oscillatoria,

avanti-indietro, dei ponti trasversali tra miosina e actina, indotta dall’idrolisi dell’ATP. E’ la ciclica

alternanza fissazione-distacco dei ponti trasversali ai filamenti sottili, che fa sì che l’azione del

ponte trasversale spinga i filamenti sottili verso il centro del sarcomero.

Il movimento avanti-indietro è dovuto a modificazioni della conformazione delle molecole di

miosina. Queste modificazioni non solo producono un cambio della posizione, ma variano anche la

capacità della miosina di fissarsi ai monomeri di actina dei filamenti sottili, con conseguente

variazione del contenuto energetico delle molecole di miosina. La miosina può esistere in due stati

energetici. Si distingue una forma di miosina ad alta energia. Le teste di miosina assumono questa

conformazione dopo l’idrolisi dell’ATP. Questo stato conformazionale viene definito ad alta energia

perché le molecole di miosina immagazzinano energia che è poi rilasciata durante l’idrolisi

dell’ATP. Possono assumere anche una forma a bassa energia, quando l’energia viene restituita

per guidare il movimento dei filamenti sottili.

Si distinguono 5 fasi:

1. Miosina ed actina non fissate: si parte con la testa della miosina nella forma a bassa

energia e

fissata ad un monomero di actina. L’ATP si le al sito ATPasico inziando la variazione della

conformazione della testa e provocandone il distacco dal filamento sottile.

2. Sollevamento della testa di miosina: l’ATP viene idrolizzato ad ADP e P con rilascio di

energia. Parte di questa energia è catturata dalla molecola di miosina che raggiunge la

forma ad alta

energia. I prodotti dell’idrolisi rimango fissati al sito ATPasico.

3. Fissazione della miosina all’actina: la testa si fissa ad un monomero di actina del filamento

sottile adiacente che inizia la liberazione di P dal sito ATPasico.

4. Colpo di forza: il rilascio di P consente alla molecola di miosina di ritornare alla forma a

bassa

energia. Dopo di che la testa delle miosina gira verso il centro del sarcomero, tirando il

filamento sottile verso di sé. Durante questo processo la molecola di miosina rilascia l’ADP

dal suo sito ATPasico, rendendo attivo il sito per la successiva fissazione.

5. Irrigidimento: liberando energia, la testa della miosina ritorna nella forma a bassa energia.

A questo punto actina e miosina sono strettamente fissate insieme e ciò viene detto rigor.

Nel ciclo dei ponti trasversali delle cellule muscolari, la fissazione di una nuova molecola di

ATP alla testa consente il distacco della stessa dal filamento sottile e l’interruzione del rigor.

Quando il ciclo dei ponti trasversali termina e cessa la contrazione, i filamenti sottili ritornano nella

loro posizione originaria in maniera passiva. Durante la contrazione, ciascuna testa di miosina è in

grado di completare in un secondo solamente 5 cicli, ma siccome ogni filamento spesso è dotato

diparecchie centinai di teste, possono avvenire migliaia di “colpi di forza”. In teoria il ciclo dei ponti

trasversali potrebbe operare all’infinito, basta che venga rifornito continuamente di ATP.

Accoppiamento eccitazione-contrazione

Il sistema nervoso controlla la contrazione dei muscoli scheletrici per mezzo dei motoneuroni che

inviano ai muscoli il comando relativo a come e quando contrarsi. Il segnale è sempre di natura

eccitatoria ed ha lo scopo di iniziare la contrazione in quella cellula. Anche le cellule muscolari

sono eccitabili, cioè capaci di generare potenziali d’azione, se le loro membrane citoplasmatiche

vengono sufficientemente depolarizzate. Quando una cellula muscolare riceve uno stimolo da un

motoneurone, la cellula si depolarizza generando un potenziale d’azione che a sua volta scatena

la contrazione.

Il ruolo della giunzione neuromuscolare: il motoneurone trasmette un potenziale d’azione lungo

il suo assone che induce la secrezione dell’aceticolina dalla terminazione assonale. L’acetilcolina

diffonde verso la membrana citoplasmatica della cellula muscolare e induce una depolarizzazione

variando la permeabilità ionica della membrana postsinaptica. Nel sarcolemma sottostante i

bottoni, si trova una regione specializzata detta placca motrice che contiene un elevato numero di

recettori per l’acetilcolina. Il potenziale d’azione nel motoneurone induce il rilascio dell’acetilcolina

da ciascuno dei bottoni delle terminazioni, provocando l’attivazione di molti recettori colinergici.

Una volta che nella cellula muscolare si è generato un potenziale d’azione, esso si propaga per

tutto il sarcolemma arrivando ai tubuli T, ciò provoca il rilascio di calcio dal RS vicino. Il calcio

costituisce il segnale per avviare il ciclo dei ponti trasversali e quindi la contrazione.

Il ruolo del calcio, della troponina e della tropomiosina: a riposo la troponina si trova nella

conformazione normale e perciò la tropomiosina è posizionata sui filamenti sottili bloccando i siti di

fissazione.

La membrana del RS contiene anche canali per il calcio voltaggio-dipendenti che sono

normalmente chiusi per evitare che il calcio all’interno fuoriesca. Tuttavia quando il potenziale

d’azione raggiunge i tubuli T i canali si aprono rapidamente consentendo al calcio di liberarsi nel

citoplasma. Vi è però un altro tipo di canale voltaggio-dipendente che può avvenire aperto da

modificazione del potenziale della membrana del tubulo a T e non dalla membrana del RS stesso.

Un potenziale d’azione nel tubulo a T è pertanto in grado di guidare il rilascio di Ca2+ dal RS

poiché i tubuli a T e la membrana del RS sono funzionalmente legati da proteine dette strutture

pedicellari (recettori per la rianodina) che fanno da ponte e fungono anche da canali per il calcio.

Ci sono altre proteine (recettori per le diidropiridine) che funzionano come rilevatori di voltaggio.

Quando un potenziale d’azione si muove attraverso i tubuli T, questi sensori reagiscono

trasmettendo un segnale alle strutture pedicellari. Questo segnale attiva l’apertura dei canali per il

calcio. Appena il calcio entra nel citoplasma alcuni si fissano a siti specifici posti su altri canali,

provocandone l’apertura. In questo modo il rilascio iniziale di calcio dal RS provoca, a valanga, la

liberazione di altro calcio.

Quando la concentrazione di calcio intracellulare è aumentata a sufficienza, parte del calcio si lega

ad una delle tre proteine che formano la troponina, che induce la tropomiosina ad allontanarsi per

liberare i siti di fissazioni per la miosina. Ora le teste di miosina sono in grado di fissarsi all’actina e

può iniziare il ciclo dei ponti trasversali. L’organizzazione del RS permette il rilascio simultaneo del

calcio a tutti i sarcomeri.

Quando il potenziale d’azione avvia la liberazione del cacio dal RS, questo rilascio non continua

all’infinito perché appena la concentrazione intracellulare del calcio aumenta oltre un certo limite,

questi ioni iniziano a fissarsi ad alcuni particolari siti recettoriali che provocano la chiusura dei

canali per il calcio voltaggio-dipendenti del RS che si erano aperti. Poiché la fissazione del calcio

alla troponina è reversibile, la diminuzione della concentrazione del calcio induce la dissociazione

del calcio dalla troponina facendo sì che la troponina e la tropomiosina ritornino in posizione di

riposo. Il numero di siti esposti si riduce e il muscolo cessa di contrarsi.

I MECCANISMI DELLA CONTRAZIONE NEL MUSCOLO SCHELETRICO

Quando una cellula muscolare si contrae in risposta ad un singolo potenziale d’azione, il risultato è

sempre lo stesso: in una frazione di secondo la forza aumenta al massimo e poi rapidamente

scende a zero. Questo evento è detto scossa singola.

La scossa singola è la risposta meccanica di un’unità moria ad un singolo potenziale d’azione.

Le fasi della scossa singola sono tre. Il periodo di latenza rappresenta il tempo che intercorre tra

la comparsa del potenziale d’azione nelle cellule muscolari e l’inizio della contrazione, quando la

cellula inizia a generare forza. La fase di contrazione, che può avere una durata compresa tra 10

e 100 millisecondi, inizia alla fine della latenza e cessa in corrispondenza del raggiungimento del

picco massimo di tensione. La fase di rilasciamento è la più lunga e rappresenta l’intervallo di

tempo tra il picco della forza sviluppata e la fine della contrazione, quando la tensione ritorna a

zero. Una delle caratteristiche della scossa singola è la sua riproducibilità, in altri termini la

stimolazione ripetitiva di un muscolo provoca diverse scosse in fila ognuna delle quali ha la stessa

forma e grandezza.

Contrazione isometrica e isotonica: Quando un muscolo si contrae isotonicamente, genera una

tensione almeno pari alle forze che vi si oppongono e così il musolo si accorcia. Quando il

muscolo si contrae isometricamente, si crea tensione senza accorciamento perché il carico è

superiore alla forza generata dal muscolo.

Per misurare una contrazione isometrica, entrambi i capi del muscolo non devono muoversi;

quando il muscolo viene fatto contrarre da uno stimolo elettrico, si sviluppa tensione non

accompagnata da accorciamento e l’andamento della forza mostra che la tensione aumenta fino a

raggiungere un picco.

Per misurare una contrazione isotonica, il capo del muscolo in basso non è ancorato, ma

attaccato ad un peso; in questo caso il muscolo si contrae e l’andamento della forza mostra un

caratteristico innalzamento che poi si stabilizza per un pò di tempo, dando origine ad un “plateau”

dove la forza ha raggiunto il massimo livello.

Al contrario della contrazione isometrica, quella isotonica non è un evento tutto o nulla; la sua

intensità dipende dal carico su cui agisce il muscolo. Anche il periodo di latenza aumenta perché il

muscolo richiede più tempo a sviluppare forza richiesta per muovere il carico.

Quando un muscolo si contrae isometricamente, i suoi sarcomeri si accorciano anche se l’intero

muscolo non lo fa; questo perché i sarcomeri (o componente contrattile) non si estendono per

tutta la lunghezza della fibra muscolare e quindi non trasmetto la forza ai capi cellulari. Al contrario

la forza viene trasmessa attraverso le componenti cellulari che connetto le miofibrille ai capi delle

cellule e vengono dette