Fisiologia veterinaria 1: il muscolo

Capitolo 6: contrazione del muscolo scheletrico

La muscolatura scheletrica rappresenta circa il 40% del peso corporeo, mentre un altro 10% è costituito da muscolatura liscia e cardiaca. I muscoli scheletrici sono composti da numerose fibre per tutta la loro lunghezza (ognuna di queste fibre è formata da elementi progressivamente più piccoli). Queste fibre sono innervate da un'unica terminazione nervosa situata vicino al centro di esse.

Struttura del muscolo scheletrico

Muscolo (epimisio) Fascicoli (perimisio) fibre (endomisio) miofibrille miofilamenti.

Sarcolemma: è una sottile membrana che avvolge la fibra muscolare scheletrica. Esso è costituito da membrana plasmatica e da un rivestimento più esterno (sottile strato di materiale polisaccaridico, contenente fibrille di collagene). Tutte le fibre sono avvolte da sarcolemma, che alla sua estremità si fonde con una fibra tendinea. Le fibre tendinee si riuniscono in fascicoli e formano i tendini che si inseriscono nelle ossa.

Le fibre contengono le miofibrille (centinaia/migliaia), formate da actina (3000 miofilamenti) e miosina (1500 miofilamenti). Queste miofibrille appaiono a forma di sezione trasversale come un cerchio, mentre a bande chiaro-scuro in sezione longitudinale. Sono queste bande che conferiscono al muscolo scheletrico e a quello cardiaco un aspetto striato.

• Filamenti spessi: miosina
• Filamenti sottili: actina

Le bande chiare (bande I) contengono solo actina; quelle scure (bande A) sono costituite da filamenti di miosina e dalle estremità dei filamenti di actina sovrapposte a quelli di miosina.

• Bande I: isotrope alla luce polarizzata (isotropia: indipendenza dalla direzione. La velocità della luce che l'attraversa è la stessa in tutte le direzioni)
• Bande A: anisotrope alla luce polarizzata (anisotropia: la velocità della luce che l'attraversa non è la stessa in tutte le direzioni)

Piccole proiezioni sporgenti dai filamenti di miosina: ponti trasversali.

Meccanismo della contrazione muscolare

La contrazione muscolare avviene per un meccanismo di scorrimento dei filamenti (interazione tra ponti trasversali e filamenti di actina). Un'estremità dei filamenti di actina è fissata al cosiddetto disco Z (Il disco Z è costituito da proteine filamentose diverse dai filamenti di actina e di miosina). La porzione di miofibrilla (o dell'intera fibra muscolare) compresa tra due dischi Z successivi è detta sarcomero.

Titina: proteina con una struttura filamentosa, molto elastica. Le molecole filamentose di titina mantengono il corretto rapporto tra i filamenti di miosina e di actina, fungono da impalcatura, di modo che il meccanismo contrattile possa funzionare. Un’estremità di titina è legata al filamento spesso di miosina, l’altra estremità è attaccata al disco Z. La titina modifica la propria lunghezza quando il sarcomero si contrae e si rilascia.

Sarcoplasma: liquido intracellulare tra le miofibrille. Il sarcoplasma contiene elevate quantità di potassio, magnesio, fosfato e molte proteine con funzione enzimatica. È presente, inoltre, un grandissimo numero di mitocondri che durante la contrazione forniscono alle miofibrille una notevole quantità di energia sotto forma di ATP.

Nel sarcoplasma che circonda le miofibrille di ogni fibra è presente anche un esteso reticolo, chiamato reticolo sarcoplasmatico.

Reticolo sarcoplasmatico

Il reticolo sarcoplasmatico è il reticolo endoplasmatico specializzato del muscolo scheletrico. Questo reticolo presenta un’organizzazione importante per il controllo della contrazione muscolare. Le fibre a contrazione rapida possiedono un reticolo sarcoplasmatico particolarmente sviluppato.

Meccanismo generale della contrazione muscolare

• Un potenziale d'azione viaggia lungo un motoneurone sino alle sue terminazioni sulle fibre muscolari.
• A ogni terminazione il nervo libera una piccola quantità di neurotrasmettitore: l'acetilcolina.
• L'acetilcolina agisce su un'area circoscritta della fibra muscolare, determinando l'apertura di numerosi canali inseriti nella membrana.
• L'apertura di questi canali consente l’ingresso di ioni sodio nella fibra muscolare, provocando una depolarizzazione locale, che a sua volta porta all'apertura di canali del sodio voltaggio-dipendenti. Questo dà origine a un potenziale d'azione sulla membrana.
• Il potenziale d'azione si propaga lungo la membrana della fibra muscolare.
• Il potenziale d'azione depolarizza la membrana della fibra muscolare, propagandosi verso il centro della fibra stessa (lungo i tubuli trasversi), dove provoca la liberazione dal reticolo sarcoplasmatico di grandi quantità di ioni calcio (immagazzinati all'interno del reticolo stesso).
• Gli ioni calcio avviano un processo che dà origine a forze di attrazione tra i filamenti di miosina e quelli di actina, che causano lo scorrimento degli uni sugli altri > contrazione.
• Dopo una frazione di secondo, gli ioni calcio vengono riportati all'interno del reticolo sarcoplasmatico da una pompa di membrana per il Ca⁺⁺. Con la rimozione degli ioni calcio dalle miofibrille la contrazione muscolare termina.

Meccanismo molecolare della contrazione muscolare

Nello stato di rilasciamento, le estremità dei filamenti di actina (provenienti da due dischi Z successivi) sono leggermente sovrapposte le une alle altre. Invece, nello stato di contrazione, i filamenti di actina si spingono più profondamente tra i filamenti di miosina, tanto da sovrapporsi con gli opposti filamenti di actina. Inoltre, i dischi Z sono trascinati dai filamenti di actina a ridosso dei filamenti di miosina, le cui estremità nelle contrazioni molto energiche arrivano a spezzarsi.

Lo scorrimento dei filamenti di actina e miosina è dovuto a forze meccaniche generate dall'interazione dei ponti trasversali dei filamenti di miosina con i filamenti di actina. In condizioni di riposo queste forze sono inibite ma, quando un potenziale d'azione si propaga lungo la membrana della fibra muscolare, induce la liberazione dal reticolo sarcoplasmatico di ioni calcio, i quali rapidamente si diffondono nelle miofibrille. Gli ioni calcio attivano le forze tra i filamenti di miosina e actina, dando il via alla contrazione. Il processo di contrazione ha bisogno anche di energia. Questa si ottiene dai legami ricchi di ATP, che viene degradato ad ADP per liberare l'energia richiesta.

Caratteristiche molecolari dei filamenti contrattili

Filamento di miosina

Il filamento di miosina (filamento spesso) è formato dall'insieme di molecole di miosina. Le molecole di miosina sono organizzate a formare un filamento e questo filamento interagisce con le estremità di due filamenti di actina. La molecola di miosina è formata da 6 catene polipeptidiche (2 pesanti e 4 leggere). Le due catene pesanti a spirale sono avvolte l'una sull'altra a formare una doppia elica, che è chiamata coda della molecola di miosina. Un'estremità di ciascuna catena è ripiegata a formare una struttura proteica globulare, chiamata testa della miosina (porzione allungata a doppia elica). Quindi ad una delle estremità della doppia elica della molecola di miosina vengono a trovarsi due teste distinte, l'una accanto all'altra.

Le 4 catene leggere fanno parte della testa della miosina, due per ogni testa. Le catene leggere concorrono a controllare il funzionamento della testa durante la contrazione muscolare. Il filamento di miosina è formato da circa 200 molecole di miosina. Le code delle molecole di miosina sono addossate le une alle altre a formare il corpo del filamento, mentre ai lati del corpo sporgono le numerose teste della molecola. Inoltre, parte della porzione a spirale di ogni molecola si estende lateralmente a formare il braccio, che proietta la testa lontano dal corpo. Insieme, i bracci e le teste sporgenti costituiscono i ponti trasversali, ognuno dei quali è flessibile in due punti chiamati snodi o cerniere. La cerniera consente alla testa della miosina di essere spinta lontano dal corpo del filamento, per questo gli snodi partecipano attivamente al processo di contrazione.

La lunghezza totale di ogni filamento di miosina è di circa 1.6 micron. Nella parte centrale del filamento non sono presenti ponti trasversali poiché i bracci incernierati (bracci snodati) si estendono dal centro verso le estremità in direzioni opposte, per cui al centro rimangono solo le code delle molecole della miosina e nessuna testa. Il filamento di miosina è attorcigliato in modo che ogni successiva serie di ponti trasversali risulti spostata di 120 gradi rispetto alla serie precedente. Questo assicura ai ponti trasversali l'estensione in tutte le direzioni del filamento.

• La testa della miosina presenta attività ATPasica. Questa proprietà enzimatica permette alla testa di scindere l'ATP e utilizzare energia, per il processo contrattile.

Filamento di actina

Il filamento di actina è composto da 3 costituenti proteici:

• Actina
• Tropomiosina
• Troponina

L'ossatura del filamento di actina è costituita da lunghe molecole di F-actina appaiate. Le due catene sono avvolte ad elica come nella miosina, ma con una rivoluzione completa ogni 70 nanometri. Ogni catena della doppia elica di F-actina è composta da molecole di G-actina polimerizzate. Per ogni giro completo ciascun filamento dell'elica presenta 13 di queste molecole. Ad ogni molecola di G-actina è legata una molecola di ADP. Si ritiene che le molecole di ADP costituiscano i siti attivi dei filamenti di actina con i quali interagiscono i ponti trasversali dei filamenti di miosina, per dare luogo alla contrazione muscolare.

Ogni filamento di actina è lungo circa 1 micron. Le basi dei filamenti di actina sono inserite nei dischi Z, mentre le altre estremità si estendono in entrambe le direzioni nei sarcomeri adiacenti (negli spazi tra le molecole di miosina). Il filamento di actina contiene anche tropomiosina. Queste molecole sono debolmente unite ai filamenti di F-actina, sono avvolte a spirale ai lati dell'elica di F-actina. Si ritiene che durante lo stato di riposo, le molecole di tropomiosina siano disposte lungo i siti attivi delle molecole di actina, in modo da impedire la contrazione (impedisce l'interazione tra actina e miosina). Ciascuna molecola di tropomiosina copre 7 di questi siti attivi.

Lungo i lati delle molecole di tropomiosina troviamo la troponina, un'altra proteina. Essa è un complesso di 3 subunità proteiche debolmente legate tra loro, ognuna delle quali ha uno specifico ruolo nel controllo della contrazione muscolare:

• 1° subunità (troponina I) forte affinità con l'actina
• 2° subunità (troponina T) forte affinità per la tropomiosina
• 3° subunità (troponina C) forte affinità per gli ioni calcio

Questo complesso lega la tropomiosina all'actina e la forte affinità della troponina per gli ioni calcio avvia il processo della contrazione.

Interazione tra actina e miosina

Il complesso troponina·tropomiosina inibisce il filamento di actina. Un filamento di actina privato del complesso troponina-tropomiosina si lega istantaneamente alle teste delle molecole di miosina, in presenza di ioni magnesio e di ATP (abbondanti nelle miofibrille). Se invece al filamento di actina viene aggiunto il complesso troponina-troporniosina, il legame tra actina e miosina non si realizza. Perciò si ritiene che nel muscolo rilasciato i siti attivi dei filamenti di actina siano inibiti (o fisicamente coperti) dal complesso troponina-tropomiosina. Di conseguenza i siti non sono in grado di interagire con le teste dei filamenti di miosina e provocare la contrazione. Affinché la contrazione possa avvenire, dovrà essere rimossa l'azione inibitoria del complesso troponina-tropomiosina.

L'effetto inibitorio del complesso troponina-tropomiosina viene rimosso per azione dell'ingente presenza di ioni calcio. Quando gli ioni calcio si legano alla troponina C (ogni molecola può legare fino a 4 ioni calcio) si suppone che il complesso troponina-ioni calcio subisca delle modificazioni conformazionali tali da influire anche sulla tropomiosina, facendolo spostare più profondamente tra le due catene di actina. Questo effetto metterebbe allo scoperto i siti attivi dei filamenti di actina, permettendo di attrarre le teste della miosina e consentendo l'avvio della contrazione. I rapporti tra il complesso troponina-tropomiosina e l'actina sono modificati dagli ioni calcio.

Teoria della contrazione per scorrimento

Non appena il filamento di actina viene attivato dagli ioni calcio, le teste dei ponti trasversali dei filamenti di miosina vengono attratte dai siti attivi del filamento di actina, producendo la contrazione. Tale processo è chiamato teoria dell'avanzamento. Tale meccanismo di avanzamento si basa sull'aggancio e sgancio delle teste di due ponti trasversali su ciascun sito attivo di un filamento di actina. L'attacco della testa ad un sito attivo provoca profonde modificazioni nelle forze intramolecolari tra la testa ed il braccio del ponte trasversale. Questo fa sì che la testa si fletta verso il braccio, la flessione della testa del ponte trasversale viene chiamata colpo di forza. Subito dopo la testa si stacca dal sito attivo e torna alla sua normale posizione (perpendicolare rispetto all'asse della miosina). In questa posizione la testa si lega ad un nuovo sito attivo (posto più avanti) provocando diversi agganci e sganci. In questo modo le teste dei ponti trasversali "camminano" lungo il filamento di actina. Quanto più elevato è in ogni momento il numero di ponti trasversali agganciati al filamento di actina tanto maggiore è la forza di contrazione.

ATP come fonte energetica per la contrazione

Quando un muscolo si contrae, viene compiuto un lavoro per il quale si richiede energia. Durante il processo della contrazione, una grande quantità di ATP viene idrolizzata in ADP. Inoltre, quanto più lavoro viene eseguito, tanto più elevata è la quantità di ATP utilizzata: questo fenomeno è chiamato effetto Fenn.

Sequenza di eventi in relazione all'utilizzo di ATP

• Prima della contrazione, le teste dei ponti trasversali legano ATP. Successivamente viene idrolizzata in ADP+P (ione fosfato), che restano legati alla testa: attività ATPasica della testa della miosina. In questo stato, la testa si estende ma non è ancora attaccata all'actina.
• Successivamente, il legame degli ioni calcio al complesso troponina-tropomiosina determina l'esposizione dei siti attivi sul filamento di actina e il legame delle teste della miosina a questi.
• Il legame tra la testa del ponte trasversale ed il sito attivo sul filamento di actina induce una modificazione conformazionale nella testa, che provoca la flessione della testa verso il braccio del ponte trasversale (colpo di forza) necessario per tirare il filamento di actina. L'energia necessaria per il colpo di forza è quella immagazzinata precedentemente nella testa (punto 1).
• Una volta che la testa del ponte trasversale si è flessa, il complesso ADP+P vengono rilasciati e nel sito di attacco per l'ADP si lega una nuova molecola di ATP. Questo legame provoca il distacco della testa della miosina all'actina.
• Dopo che la testa si è staccata, la nuova molecola di ATP viene idrolizzata dando vita ad un nuovo ciclo. L'energia fornita dall'ATP porta nuovamente la testa nella posizione perpendicolare di partenza.
• Quando la testa raddrizzata (con il suo carico di energia derivato dall'ATP idrolizzato) si lega a un nuovo sito attivo sul filamento di actina, si flette e genera un nuovo colpo di forza.

In questo modo il processo si ripete più volte finché il filamento di actina tira il disco Z a ridosso dell'estremità dei filamenti di miosina per permettere un'ulteriore trazione.

• Il grado di sovrapposizione dei filamenti di actina e di miosina determina la tensione sviluppata dal muscolo durante la contrazione. Via via che il sarcomero si accorcia e i filamenti di actina cominciano a sovrapporsi a quello di miosina, la tensione aumenta progressivamente.

Relazione tra velocità di contrazione e carico

In assenza di carico un muscolo si accorcia velocemente. La velocità di accorciamento si riduce progressivamente con l'aumentare del carico, questo perché il carico rappresenta una forza che si oppone alla forza sviluppata dalla contrazione muscolare.

Diverse fonti di energia per la contrazione muscolare

La maggior parte di energia è richiesta per il meccanismo di scorrimento, con cui i ponti trasversali tirano i filamenti di actina, ma una piccola parte è necessaria per:

• Pompare calcio dal sarcoplasma nel reticolo sarcoplasmatico alla fine della contrazione;
• Attivare la pompa del sodio e del potassio per assicurare un ambiente ionico adatto al potenziale d'azione.

Concentrazione di ATP all'interno della fibra muscolare: circa 4mM (sufficiente per una contrazione di 1-2 secondi). Esistono varie fonti energetiche per ricostruire ATP consumata precedentemente (per rifosforilazione).