Muscolo scheletrico

Tessuto muscolare

È un tessuto presente in vari distretti e, a seconda del distretto, questo tessuto viene distinto in:

• Tessuto muscolare scheletrico detto più semplicemente muscolo scheletrico: è quel tessuto muscolare legato fisicamente allo scheletro.
• Tessuto muscolare liscio presente a livello della parete degli organi cavi (stomaco, intestino, vescica). È detto liscio non solo perché non è legato allo scheletro ma anche perché ha delle caratteristiche citologiche diverse rispetto al muscolo scheletrico.
• Tessuto muscolare cardiaco localizzato a livello del cuore. Ha delle caratteristiche citologiche e meccaniciste diverse rispetto al tessuto scheletrico e al tessuto muscolare liscio.

Il muscolo scheletrico presenta delle striature, alternanza di bande chiare e scure, organizzate in maniera ordinata. Proprio per questa caratteristica il muscolo scheletrico è detto muscolo striato. Le bande sono presenti anche nel muscolo cardiaco, infatti per questa caratteristica risulta essere simile al muscolo scheletrico. Nel muscolo liscio, invece, queste bande non sono visibili.

Alcune cellule del muscolo liscio, tramite sinapsi elettriche, comunicano con le cellule vicine quindi sono collegate l’una alle altre. Lo stesso vale anche per il muscolo cardiaco in quanto anche le cellule cardiache comunicano tra di loro. Il muscolo scheletrico e il muscolo liscio hanno delle caratteristiche citologiche e meccanicistiche differenti mentre il muscolo cardiaco presenta alcune caratteristiche citologiche e meccanicistiche del muscolo liscio ed altre del muscolo scheletrico.

Le cellule che costituiscono il muscolo scheletrico sono dette fibre scheletriche, quelle che costituiscono il muscolo liscio fibre lisce mentre quelle che costituiscono il muscolo cardiaco vengono dette fibre cardiache.

Muscolo scheletrico

Sono muscoli striati collegati alle ossa tramite i tendini. In fisiologia per muscolo si intende quella porzione costituita dal tessuto muscolare scheletrico così detto perché permette il movimento delle ossa e quindi il movimento del corpo. I tendini, che sono di natura chimica diversa rispetto al muscolo, non fanno parte del muscolo ma sono delle strutture che ancorano il muscolo alle ossa.

Il muscolo è costituito da un certo numero di fasci di fibre. Ciascun fascio, quindi, contiene un determinato numero di fibre ossia di cellule muscolari scheletriche ed è separato dall’altro da tessuto connettivo o membrane connettive. La membrana connettivale che ricopre l’intero muscolo è detta epimisio. La membrana di natura connettivale che avvolge ciascun fascio è detta perimisio. Invece, la membrana che avvolge ciascuna fibra, quindi ciascuna cellula muscolare scheletrica, è detta endomisio. Questa membrana è molto sottile ed ha la funzione di separare una singola cellula dall’altra.

Le fibre muscolari scheletriche, ossia le cellule, perché sono dette fibre e non semplicemente cellule scheletriche? Perché presentano delle caratteristiche particolari:

• Hanno grandi dimensioni
• Sono di forma allungata
• Ed è polinucleata, quindi sono costituite da tanti nuclei

Secondo alcuni studiosi, questo deriva dal fatto che ancestralmente ci sia stata la fusione di più cellule che ha dato origine ad una cellula di grandi dimensioni, polinucleata. Prendendo in considerazione una porzione di fibra, da un punto di vista cromatico, possiamo notare l’alternanza di striature chiare e scure organizzate trasversalmente l’una alle altre in maniera ordinata. Le striature sono dovute al fatto che il citoplasma delle fibre muscolari scheletriche è percorso in senso longitudinale da strutture particolari dette miofibrille, ovvero dei filamenti aventi la stessa lunghezza della fibra muscolare. Nel citoplasma le miofibrille non sono disposte una indipendentemente dall’altra ma sono raggruppate, cioè sono organizzate a formare dei gruppi. In una fibra muscolare di media grandezza sono presenti circa 300/350 miofibrille; il numero delle miofibrille dipende dalla grandezza del muscolo.

Le miofibrille sono costituite da unità uguali che si ripetono in modo seriale e queste unità delle miofibrille sono i sarcomeri. Quindi, ciascuna miofibrilla è costituita da un certo numero di sarcomeri. Il sarcomero va da una linea Z all’altra linea Z ed ha una grandezza di circa 2,5 micrometri.

Funzione del tessuto muscolare scheletrico

Il muscolo scheletrico ha la funzione di generare forza che serve:

• Per sostenere il peso delle ossa
• Per permettere alle ossa di muoversi

Per generare forza il muscolo scheletrico si deve contrarre. Il processo della contrazione, da un punto di vista meccanicistico, si realizza a livello dei sarcomeri. Quindi, dobbiamo ben capire come sono fatti i sarcomeri, ricordando che i sarcomeri costituiscono le miofibrille e che queste, con il meccanismo di andata a ritroso, l’intero muscolo.

Nell’immagine, in alto, è rappresentata la micrografia elettronica di un sarcomero in cui è possibile visualizzare due linee scure che rappresentano le linee Z e due bande chiare denominate bande I. Alle bande chiare segue una porzione centrale piuttosto scura, compresa tra le due bande I, indicata come banda A. L’esame attento della micrografia elettronica ci fa notare che in realtà la banda A non è scura nella sua totalità, ma al centro è presente una linea scura detta linea M. Ai lati della linea M, quindi sia a destra che a sinistra, è presente una regione leggermente più chiara rispetto alle parti più esterne della banda A dette bande H. Queste bande chiare e scure derivano dalla ordinata disposizione nello spazio tridimensionale di elementi proteici (proteine) ma anche di elementi non proteici (molecole non proteiche).

La banda A, al centro del sarcomero, è data dalla disposizione dei filamenti spessi. Ed è proprio la sovrapposizione parallela di un filamento spesso ad un altro che definisce la banda A. Le bande I di colore chiaro sono invece date dalla ordinata disposizione nello spazio tridimensionale dei filamenti di actina. Il fatto che le bande I sono chiare deriva dal fatto che in corrispondenza della banda I sono presenti solo i filamenti di actina mentre nella banda A sono presenti i filamenti spessi di miosina che per una determinata porzione si sovrappongono con quelli di actina. Invece, nella parte centrale della banda A sono presenti soltanto i filamenti spessi di miosina.

Abbiamo detto che la linea Z è quella linea di colore scuro che delimita un sarcomero dall’altro. La linea Z è costituita da una proteina citoscheletrica detta alfa-actinina. Alle molecole di alfa-actinina i filamenti di actina detti anche filamenti leggeri si ancorano direttamente. I filamenti sottili di actina presentano una proteina filamentosa che prende il nome di nebulina che serve a mantenere in posizione estesa ciascun filamento di actina. I filamenti spessi di miosina che costituiscono la banda A sono anche ancorati alle linee Z per mezzo di una proteina filamentosa elastica detta titina che ha la funzione di ancorare le due estremità del filamento spesso di miosina alle due linee Z. Per cui, nel sarcomero tutte le proteine sono ancorate alle linee Z. La banda A, al centro presenta una linea più scura detta linea M che è una proteina che prende il nome miomesina. La miomesina è una proteina collocata al centro della banda A in quanto funge da ancoraggio al filamento spesso di miosina. La disposizione ordinata dei filamenti spessi e sottili rende il sarcomero una struttura estremamente ordinata.

Nella parte bassa della figura C sono rappresentate delle sezioni trasversali del sarcomero in cui si vede che a livello della zona H, zona del sarcomero all’interno della banda A, i filamenti spessi formano una specie di esagono. Ed è proprio grazie a questa struttura ordinata che il muscolo è in grado di sviluppare forza. Se consideriamo una sezione trasversale in cui si sovrappongono filamenti spessi e sottili possiamo notare che ciascun filamento spesso è circondato da sei filamenti sottili che se li congiungiamo formano un esano.

In questa immagine è rappresentata una sezione della fibra muscolare scheletrica. Esternamente è presente la membrana plasmatica di una fibra muscolare scheletrica detta anche sarcolemma. Sul sarcolemma sono presenti, a certi intervalli spaziali, delle invaginazioni detti tubuli T, così detti proprio perché si invaginano all’interno della cellula. (T sta per trasverso). Quindi, i tubuli T sono delle invaginazioni del sarcolemma, ovvero della membrana plasmatica. I tubuli T sono chiusi, cioè sono dei canalicoli all’interno del quale è presente liquido extracellulare. Di conseguenza, in seguito all’invaginazione e alla formazione del tubulo T questo non comunica con il citoplasma, ma nonostante questo rimangono due elementi separati. Questa invaginazione tenta di raggiungere l’interno della cellula, ovvero la fibrocellula muscolare scheletrica.

Il tubulo T abbraccia i fascicoli delle miofibrille rimanendo però distinti da essi, quindi è come se il sarcolemma abbracciasse le singole miofibrille. Le miofibrille costituite dai sarcomeri, all’esterno sono circondate da un organello citoplasmatico che è il reticolo sarcoplasmatico. Il reticolo sarcoplasmatico detto anche reticolo longitudinale avvolge ciascuna miofibrilla ed è il reticolo endoplasmatico che in tutte le cellule del nostro organismo serve ad immagazzinare calcio che non deve essere libero nel citoplasma. Anzi, la concentrazione di calcio nel citoplasma deve essere pari a 1 x 10^-7 molare.

Quindi, il reticolo endoplasmatico nelle fibre muscolari scheletriche prende il nome di reticolo sarcoplasmatico o reticolo longitudinale. È detto anche longitudinale perché abbraccia per tutta la lunghezza, quindi in senso longitudinale ciascuna miofibrilla. Il reticolo sarcoplasmatico è costituito da una rete di canalicoli che formano una sorta di maglia, di rete, che convergono verso un canalicolo di dimensioni un po’ più grandi che prende il nome di cisterna. I tubuli T vanno ad abbracciare la miofibrilla in corrispondenza delle cisterne. Il tubulo T che è il sarcolemma non si fonde con la membrana della cisterna e quindi del reticolo sarcoplasmatico, ma si avvicina senza fondersi.

Il punto in cui il tubulo T si avvicina alla cisterna è come se visivamente ma non fisicamente dividesse la cisterna in due parti. Per cui si distingue al centro della cisterna il tubulo T, sarcolemma, e ai due lati del tubulo T, la cisterna che però è un tutt’uno. Questa struttura prende il nome di triade. Quindi, nel muscolo scheletrico la triade è costituita dal tubulo T, dall’invaginazione del sarcolemma e dalla cisterna del reticolo sarcoplasmatico che è un organello interno che contiene tanto calcio. È così detta perché visivamente è come se fosse costituita da tre elementi: dalle due parti della cisterna e dal tubulo T al centro. Realmente però è costituita da due parti, ovvero dal tubulo T (sarcolemma) e dalla cisterna.

I filamenti spessi di miosina insieme ai filamenti sottili di actina sono costituiti dalle proteine contrattili. Quindi, la miosina e l’actina sono definite contrattili perché sono delle proteine che partecipano attivamente al processo di contrazione del muscolo scheletrico. Le altre proteine, cioè la nebulina, la titina, la miomesina e l’alfa-actinina non sono proteine contrattili perché non partecipano in maniera attiva al ciclo della contrazione ma sono proteine strutturali elastiche.

Forza e contrazione del muscolo scheletrico

La funzione primaria del muscolo scheletrico è quello di generare forza. La forza viene generata dal muscolo tramite un evento meccanico che è la contrazione muscolare. Alla contrazione muscolare partecipano le proteine contrattili che adesso andremo a descrivere nei particolari.

Filamenti sottili

Sono direttamente ancorati alle linee Z costituiti dall’assemblaggio di una proteina globulare che prende il nome di actina. Nell’immagine sono riportati i passaggi in cui le singole molecola globulari di actina si assemblano una accanto all’altra a formare tanti filamenti di actina (fili di perle). Due filamenti di actina filamentose si assemblano formando il filamento sottile dell’actina. Al filamento sottile di actina filamentosa si associa la nebulina, proteina strutturale che percorre e segue in tutte la sua lunghezza il filamento sottile. Ha la funzione di sorreggere il filamento sottile.

Al filamento sottile costituito dall’actina filamentosa e dalla nebulina sono associate altre due proteine. La prima è una proteina filamentosa che prende il nome di tropomiosina che segue l’elicizzazione dell’actina filamentosa. Oltre alla tropomiosina e al filamento leggero è associata un’altra proteina detta troponina. Questa è una proteina trimerica in quanto è costituita da tre subunità associate insieme. Queste tre subunità sono disposte in questo modo:

• La prima è detta troponina C perché lega il calcio
• La seconda è detta troponina T perché questa subunità si lega alla tropomiosina
• La terza subunità è detta troponina I che sta per subunità inibitoria

Nella parte B della figura possiamo vedere come la tropomiosina, quando il muscolo è a riposo, va a coprire i siti di legame dell’actina per la miosina. Ciascuna molecola di actina che costituisce il filamento sottile presenta un sito di legame, cioè una tasca di amminoacidi che sono complementari e che quindi permettono il legame con l’altra molecola che è la miosina. Quindi, in condizioni di riposo la tropomiosina va a coprire questi siti non permettendo così il legame con la miosina. In questa immagine è possibile anche notare il legame covalente che si instaura tra la troponina e la tropomiosina tramite la sua subunità T.

Filamenti spessi

È quel filamento che occupa la parte centrale del nostro sarcomero. È costituito dall’assemblaggio di più molecole di una proteina detta miosina. La singola molecola di miosina è una proteina che ha un peso molecolare molto più alto rispetto a quello dell’actina. È costituita da una parte globosa (rotondeggiante) che prende il nome di testa della miosina e da una parte filamentosa collegata alla parte globosa che prende il nome di coda della miosina. La testa e la coda della miosina sono legate tra di loro da una sequenza di amminoacidi che ha nello spazio una notevole flessibilità. Quindi, la testa della miosina non è legata in maniera rigida alla coda ma ha un certa flessibilità; la testa è più flessibile rispetto alla coda che invece è rigida. Questa flessibilità è dovuta alla presenza, all’interno della sequenza amminoacidica, di amminoacidi particolari che costituiscono la zona a cerniera.

Due molecole di miosina dimerizzano con formazione del dimero di miosina in quanto le due code filamentose si avvolgono ad elica. Il dimero di miosina è costituito da due teste flessibili intorno alla zona a cerniera e da una coda ad elica. Lo step successivo vede l’assemblaggio di molte molecole di miosina a formare il filamento spesso. Questo assemblaggio è molto ordinato. I dimeri di miosina si vanno a disporre lungo l’asse longitudinale (nel senso della lunghezza) facendo affacciare la coda di un dimero con la coda dell’altro dimero e ancora la coda di un dimero con la coda dell’altro dimero.

Il filamento spesso è costituito da tanti dimeri di miosina. Il peso molecolare è molto alto di circa 500, quindi 500 dimeri di miosina si affacciano tutti coda/coda, coda/coda. Le teste dei 500 dimeri si dispongono in maniera sfalsata le une verso le altre. Infatti, le due teste di un dimero, rispetto alle successive, non si trovano sulla stessa traiettoria ma formano una specie di elica, cioè sono sfalsate di un certo grado, di trenta gradi. Questo si ripete per ogni molecola di dimero di miosina. Nell’insieme, il filamento spesso presenta queste due caratteristiche fondamentali:

• La prima caratteristica è che le teste della miosina sono sfalsate le une verso le altre di trenta gradi ed è come se formassero una specie di spirale.
• Nell’associazione dei primi dimeri di miosina coda/coda il filamento spesso presenta una zona centrale detta nuda perché non sono presenti le teste.

Ciascuna testa della molecola di miosina possiede due siti che sono fondamentali ai fini della contrazione muscolare scheletrica. La parte più esterna della testa possiede un sito di legame per l’actina rappresentato in verde. La miosina è in grado di legarsi all’actina perché le due proteine presentano dei siti di legame che sono l’una complementare verso l’altra. Oltre al sito di legame per l’actina, a livello della miosina è presente anche un altro sito estremamente importante, uno per ciascuna testa, che è il sito ATPasico in cui si va a legare una molecola di ATP (per ogni dimero si legano due molecole di ATP) e che ha anche una funzione enzimatica, infatti l’ATP viene idrolizzato in ADP e fosfato.

Organizzazione dei filamenti spessi e sottili nel sarcomero