tessuto muscolare (fisiologia)

FISIOLOGIA GENERALE 16/04/18

IL CITOSCHELETRO

Esistono nelle cellule vari tipi di filamenti:

- i microtubuli, cioè strutture formate da 13 protofilamenti di alfa e beta tubulina polarizzati che lasciano al

centro una struttura cava. Sono i filamenti più grossi.

- Abbiamo poi i filamenti intermedi che sono formati da vari tipi di proteine

- Poi abbiamo i filamenti di actina che sono i filamenti di più piccole dimensioni.

Nell’ambito di tutte queste strutture ci sono alcune proteine che utilizzano questi filamenti del citoscheletro per

trasportare e per svolgere le funzioni motrici della cellula. Queste proteine sono dette proteine motorie o proteine

motrici e regolano diversi aspetti che possono andare o dalla mobilità della singola cellula, caso tipico è lo

spermatozoo che con la coda si muove in maniera indipendente oppure sono proteine che regolano processi

fondamentali all’interno della cellula come per esempio il trasporto vescicolare anterogrado e retrogrado lungo

l’assone e soprattutto la contrazione muscolare nel meccanismo di sliding dei filamenti.

Tutte queste proteine che regolano la funzione motrice hanno in comune 2 caratteristiche fondamentali:

1) Sono proteine che consumano ATP, hanno un dominio ATPasico che idrolizza ATP e sfrutta l’energia liberata

per effettuare un certo tipo di movimento lungo il filamento

2) Poi interagiscono con filamenti del citoscheletro, principalmente filamenti microtubulari (troviamo le

proteine associate ai microtubuli) sia filamenti di actina (interazione tra proteina motrice e filamenti di

actina).

3) In più tutte queste proteine sono caratterizzate dall’avere una struttura particolare che prevede sempre una

testa (che è la parte della proteina che svolge una doppia funzione: 1) Da un lato ha un sito nucleotidico in

cui l’ATP viene idrolizzato per permettere il movimento. 2) Dall’altro, la testa è quella porzione della proteina

motrice che interagisce e riconosce il filamento su cui scorrere. La coda invece, che può essere variamente

sviluppata e può essere connessa alla testa dal collo, è quella porzione della proteina che consente il corretto

folding della proteina, ma soprattutto è quella che riconosce il carico da trasportare per esempio una

vescicola contiene una determinata sostanza, ecc…

Quindi queste sono le caratteristiche delle proteine motrici.

Quindi queste proteine motrici si differenziano per:

1) Il filamento a cui si attaccano: che può essere un microtubulo o un filamento di actina,

2) Per la direzione in cui si muovono: questi filamenti del citoscheletro sono polarizzati, cioè hanno un’estremità

+ e un’estremità -. Per esempio nei microtubuli l’estremità + è quella verso cui volgono tutte le subunità della

beta-tubulina. Nei filamenti di actina esiste una polarizzazione in virtù del meccanismo di fusione dei

monomeri di proteina globulare nell’allungamento dei filamenti

3) E poi molte sono deputate al trasporto.

Esistono 3 classi principali:

1) Classe delle MIOSINE: le miosine sono tantissime, ce ne sono tanti tipi diversi con localizzazione diversa,

funzione diversa ecc.. Si calcola che ci sono circa 40 geni del genoma che codificano per la miosina.

Parleremo principalmente della miosina II che è quella implicata nel meccanismo di contrazione muscolare.

Queste miosine appartengono al gruppo delle actin-binding-proteins perché sono proteine che interagiscono

e riconoscono i filamenti di actina. Nel meccanismo di contrazione muscolare entra in gioco una forte

interazione tra i filamenti di miosina e quelli di actina

2) Poi abbiamo 2 gruppi di proteine che sono invece dette PROTEINE ASSOCIATE AI MICROTUBULI perché

sfruttano il microtubulo come rotaia per lo scorrimento. Le chinesine si muovono verso l’estremità positiva

del microtubulo, mentre le dineine si muovono in senso opposto e quindi verso l’estremità negativa. Di tutte

queste proteine la minor parte lavora in forma monomerica, la maggior parte lavora in forma omodimerica,

cioè 2 subunità uguali legate tra loro. Molto spesso ognuna delle 2 subunità presenta una subunità pesante

(catena pesante) associata ad una catena leggera a funzione regolatoria.

La differenza tra la classe delle proteine associate all’actina (caso tipico la miosina) e la classe associata a

microtubuli:

- Quelle associate all’actina sono proteine che nella stragrande maggioranza sono implicate in fenomeni di

movimento all’interno della cellula, e in particolare sono implicate nel meccanismo di contrazione del

muscolo scheletrico.

- Le MAP sono invece coinvolte nella formazione del tubo mitotico ecc.., ma da un punto di vista di cellule

nervose sono invece implicate nel trasporto assonale anterogrado (per esempio di tutti i precursori di

neurotrasmettitori a piccole molecole) e retrogrado; sono implicati nel trasporto assonale.

La miosina V è una delle tante miosine che ci sono, questa ha il collo particolarmente lungo.

Le miosine come detto prima sono molte, hanno varie funzioni che possono andare dal trasporto vescicolare allo

sliding dei filamenti nella formazione del muscolo di cui si fa carico la miosina 2.

La miosina II è una proteina ad elevato peso molecolare, siamo intorno ai 500.000 Dalton. È formata da 2 subunità

con 2 teste, 2 code e 2 catene leggere. Ha una lunghezza intorno ai 150nm, e ha la testa che costituisce la porzione

N-terminale della proteina e le code avvolte in una doppia elica costituiscono l’estremità C-terminale. La testa con la

coda ha un peso di circa 200.000 Dalton per ciascuna delle 2 catene, mentre le 2 catene leggere hanno un peso

molecolare minore, hanno funzione regolatoria.

Questa miosina ha una forma caratteristica, si dice a “mazza da golf”, e lungo il filamento che va a costituire il

filamento spesso muscolare, queste molecole di miosina si avvolgono 6 per giro, cioè su un giro di filamento spesso

troviamo 6 teste di miosine avvolte, queste teste andranno poi a stabilire il movimento del filamento di actina.

Associate all’attività contrattile ha un ruolo importante anche in altri processi come la divisione cellulare, migrazione

e citodieresi.

La molecola della miosina II può essere sottoposta ad attività proteolitica ad opera di tripsina (con cui si separano le 2

catene leggere) e papaina (con cui si separano le 2 teste globulari che sono le responsabili dei ponti trasversi nel ciclo

della contrazione muscolare).

Poi abbiamo le MAPS cioè proteine associate ai microtubuli che comprendono:

- Le chinesine che si muovono sui filamenti di microtubuli in particolare per quanto riguarda l’assone in

direzione anterograda (cioè dal soma del neurone verso il terminale sinaptico) trasportando elementi del

citoscheletro stesso, trasportando precursori di neurotrasmettitori ecc…

Queste chinesine sono caratterizzate da un collo molto lungo perché pare che questo collo serva a consentire

una sorta di ripiegamento della molecola nel momento in cui la molecola non deve funzionare e quindi non

deve trasportare vescicole.

Poi abbiamo la dineina che media il trasporto retrogrado, cioè dal terminale sinaptico verso il soma. Questo

assume particolare importanza nella teoria neurotrofica cioè nell’uptake di neurotrofina a livello periferico

che va a condizionare la trascrizione a livello neuronale.

Quindi chinesine e dineine hanno funzioni importanti per il trasporto di vescicole, partecipano alla

formazione del fuso mitotico, e permettono quindi la separazione dei microtubuli durante la fase di divisione

cellulare. in più hanno anche un ruolo importante perché fanno parte dell’apparato motorio di ciglia e flagelli,

è il caso per esempio dello spermatozoo, e permettono il movimento della cellula.

come fanno queste proteine a convertire l’energia che deriva dall’idrolisi dell’ATP in energia meccanica per il

movimento finale?

Abbiamo un modello che prende il nome di Modello di Huxley che ha a che fare con la testa della proteina e quindi

col frammento S1 che deriva dall’idrolisi con papaina della miosina.

Modello di Huxley

FASE 1: abbiamo la testa, il collo e la coda. Vi sono 2 siti a livello della coda, un sito nucleotidico per il legame con i

nucleotidi e un sito di riconoscimento per il filamento, in questo caso l’actina.

Cosa succede nel primo momento: nel momento in cui nel sito nucleotidico nella testa della miosina, l’ATP è già stato

idrolizzato, cioè è già stato scisso in ADP + P, ma i 2 prodotti di idrolisi occupano ancora il sito nucleotidico, succede

che la testa della miosina aumenta la sua affinità per i legamenti di actina e ci si lega. Quindi in questa fase la testa

della miosina si lega al sito sull’actina se e solo se nel sito nucleotidico l’ATP è già idrolizzato ma mantiene ancora in

situ i 2 prodotti di idrolisi (ADP + P).

Nel momento in cui il sito nucleotidico viene abbandonato prima dal fosforo, poi dall’ATP, succede che si assiste a un

fenomeno che prende il nome di power stroke cioè esiste, nella testa della miosina, una sequenza aminoacidica che

risente dell’abbandono di questi prodotti di idrolisi, la molecola cambia conformazione, e questa sequenza

aminoacidica accumula energia sotto forma di molla elastica. Questo determina il power stroke della molecola, cioè

la testa della miosina subisce un movimento all’indietro e si trascina dietro il filamento di actina; per questo si chiama

sliding, perché è proprio uno slittamento. Quindi questo power stroke, che prevede poi un movimento che viene

amplificato, consente intanto di liberare i prodotti di idrolisi, e incamera in questa sorta di molla un’energia

meccanica tale per cui la testa si muove all’indietro e trascina il filamento di actina.

Quello che determina il vero e proprio power stroke è il rilascio di fosfoto e subito dopo l’ADP.

Non appena il sito nucleotidico è lasciato vuoto sia di P che di ADP, il sito nucleotidico resta vuoto e al sito

nucleotidico si lega un’altra molecola di ATP. Nel momento in cui l’ATP occupa il sito nucleotidico, la miosina perde

completamente affinità per il filamento di actina e si distacca.

A questo punto l’ATP che ha occupato il sito nucleotidico viene idrolizzata per attività idrolitica della miosina. Nel

momento in cui viene idrolizzata, trattenendo in situ i 2 prodotti dell’idrolisi (ADP e P), succedono 2 cose:

1) Si assiste ad un recovery stroke, cioè questa molla che aveva accumulato precedentemente energia elastica,

cede questa energia elastica e la testa della miosina ritorna alla sua posizione di riposo, pronta a dare il via ad

un altro ciclo.

2) Subito dopo avvenuto il recovery stroke aumenta di nuovo l’affinità della miosina per l’actina e il ciclo

ricomincia.

Il fatto che la miosina II implicata nello slittamento del filamento, abbia un collo abbastanza sviluppato, fa si che

questo collo agisca come un’ameba e amplifichi il movimento, cioè al fronte di uno slittamento dei filamenti di circa 1

nm il collo determina uno spostamento effettivo dei filamenti di circa 7nm, quindi il movimento viene enormemente

ampliato.

Ricapitolando: partiamo dalla posizione iniziale: sappiamo che il collo ci consente un movimento amplificato anche se

l’interazione miosina-actina è debole.

Gli elementi importanti sono: sito nucleotidico, sito di riconoscimento dell’actina, elemento elastico.

Nel momento in cui nel sito nucleotidico troviamo i 2 prodotti di idrolisi, cioè ADP e P ancora presenti, la miosina

aumenta l’affinità verso l’actina e si lega al filamento di actina.

Subito dopo dal sito nucleotidico vengono liberati prima il P e successivamente ADP. Non appena il P viene liberato si

assiste a una modifica conformazionale, un accumulo di energia, nell’elemento elastico che accumula energia

meccanica e tira la testa della miosina dando origine al power stroke. Il collo fa avanzare, amplificando il movimento,

la miosina sul filamento di actina.

Successivamente viene liberato anche ADP e questo viene sostituito da nuovo ATP, nel momento in cui il sito

nucleotidico viene occupato dall’ATP, l’affinità tra miosina e actina diminuisce e i 2 elementi (la testa e il filamento

rotaia) si distaccano.

A questo punto la miosina che ha una sua attività ATPasica intrinseca procede nel sito nucleotidico all’idrolisi dell’ATP

scindendo ADP e P.

Succedono 2 cose in rapida successione:

1) Immediatamente consente al filamento, che aveva accumulato energia meccanica durante il power stroke, di

rilasciarsi, quindi la miosina recupera la sua posizione di riposo e dà origine a quello che viene chiamato

recovery stroke, cioè recupero dell’attività basale

2) Una volta avvenuto il recovery stroke con ancora legati i prodotti di idrolisi, la miosina aumenta di nuovo la

sua affinità per l’actina e si lega. Questa volta si lega un po’ avanti; il risultato è che il filamento slitta in avanti,

per questo si chiama sliding. I filamenti non si accorciano, ma slittano l’uno sull’altro, quindi si

sovrappongono.

Nel momento in cui si sviluppa il power stroke e quindi il filamento slitta, ci sono 3 cose importanti:

1) La prima è che vengono eliminati dal sito nucleotidico i prodotti di idrolisi, prima fosforo e poi ADP

2) Il movimento viene amplificato di 7 volte

3) E nell’elemento a elica si accumula energia potenziale che verrà rilasciata nel recovery stroke per riportare la

testa della miosina nella sua posizione iniziale.

Il fatto che il legame dell’ATP alla miosina sia necessario per il rilascio, ci spiega perché nei cadaveri in cui manca l’ATP

si va incontro al rigor mortis, cioè i ponti trasversi che sono attaccati ai filamenti di actina rimangono “congetati” e il

muscolo va incontro a questo rigor mortis.

Quindi è importante ricordare che l’ATP, nel ciclo dei ponti trasversi, non serve per far avvenire il power stroke ma al

contrario serve per fare rilasciare la testa della miosina dal filamento di actina.

TESSUTI MUSCOLARI

Il tessuto muscolare è uno dei 4 tipi di tessuto fondamentali. I 4 tessuti sono:

- Muscolare: con proprietà della contrattilità

- Connettivo

- Epiteliale: che è un tessuto di scambio

- Nervoso: eccitabilità

I tessuti muscolari comprendono 3 tipi di classi diverse ognuno con caratteristiche particolari e con funzioni

specifiche:

- Tessuto muscolare scheletrico o striato: è un tessuto che regola il movimento volontario; deve il suo nome al

fatto che presenta un caratteristico bandeggio legato a una disposizione molto regolare di miofilamenti. Ha la

funzione di movimento.

- Tessuto muscolare liscio: è un muscolo diverso da quello striato, anche a livello anatomico notiamo che il

muscolo striato è plurinucleato, il muscolo liscio è mononucleato. Non presenta nessun bandeggio, presenta

cellule fusiformi di piccole dimensioni, è involontario infatti è totalmente controllato dal sistema nervoso

autonomo, è il muscolo che circonda i vasi sanguigni, che forma la tonaca muscolare degli organi interni ecc…

- Tessuto muscolare cardiaco: è un tipo di muscolo che ha caratteristiche anatomico-funzionali intermedie tra il

muscolo striato e quello liscio perché è: striato come il muscolo scheletrico, anche se l’organizzazione non è

parallela come il muscolo scheletrico, come il muscolo liscio invece è un muscolo involontario.

MUSCOLO SCHELETRICO

Il muscolo scheletrico rappresenta la componente muscolare volontaria, cioè quella porzione di muscolatura che

viene innervata dal sistema motorio somatico il quale ha nel motoneurone alfa la sua via finale.

Rappresenta la componente effettrice motoria volontaria che ci consente di muovere le parti del corpo, dalla testa,

agli arti, al tronco. Regola lo sviluppo di movimenti volontari e la postura. La massa muscolare scheletrica costituisce

circa il 40% dell’intera massa corporea. Tra i muscoli abbiamo: deltoide, trapezio, grande gluteo, bicipite femorale,

gran pettorale, quadricipite femorale, gastrocnemio, addominali ecc..

Lo scheletro oltre alla funzione di permetterci di stare in piedi e proteggere gli organi, ha anche la funzione di servire

come attacco per i muscoli, i muscoli infatti prendono attacco tramite i tendini a livello dello scheletro. Il muscolo

scheletrico in seguito a lesioni o strappi si può rigenerare, ha un elevato potere rigenerativo entro certi limiti. Può

andare incontro a ipertrofia, cioè aumento della massa muscolare. Alcuni tendini (tra cui tendine di Achille) sono di

grosse dimensioni la cui rottura causa danni anche importanti, e questi tendini sono fatti di tessuto connettivo che è

un tessuto particolarmente resistente.

da dove deriva il muscolo scheletrico: Il muscolo scheletrico ha origine dal foglietto

embrionale mesodermico e in particolare dal

miotòmo. Le cellule staminali, dette mioblast,

sotto controllo di numerosi fattori di crescita, si

uniscono a formare miotubi cilindrici e si

fondono a formare sincizi (cellula plurinucleata).

Il risultato è una fibra muscolare scheletrica

plurinucleata, le cellule muscolari sono le cellule

più grandi del nostro organismo, hanno un

diametro che varia dai 10 ai 100 μm e una

lunghezza che può arrivare anche fino ai 20cm.

Il muscolo è avvolto da epimisio, connettivo

resistente che si continua a formare i tendini, si

porta all’interno assottigliandosi e formando il

perimisio che avvolge fasci di fibre (fascicoli) e

infine l’endomisio che avvolge la singola fibra

muscolare.

FORMA DEI MUSCOLI

I muscoli hanno forme diverse a seconda della funzione che devono svolgere, a seconda della forza che devono

sviluppare ecc..

A seconda della funzione svolta distinguiamo:

• Muscoli a fasci paralleli: si accorciano rapidamente

• Muscoli pennati: generano meglio forza

Distinguiamo poi un ventre muscolare e i tendini di attacco

Abbiamo m