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