Corso di Laurea in Scienze delle Attività Motorie e Sportive Fisiologia Muscolare

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1 Università degli Studi di Cagliari Corso di Laurea in Scienze delle Attività Motorie e Sportive Fisiologia Muscolare

2 Introduzione Muscolo scheletrico Muscolo cardiaco Muscolo liscio Eccitabilità Contrattilità Estensibilità Elasticità

3 Introduzione Cellule muscolari: Scheletriche Cardiache Lisce 40 45% del peso corporeo ~ 650 muscoli

4 Tessuto muscolare scheletrico Forza accorciamento Macchina per la contrazione Carburante Sistema di avviamento (accendere spegnere) Sistema regolatore

5 Tessuto muscolare scheletrico: Organizzazione strutturale Fonte: training.seer.cancer.gov

6 Fibra Muscolare: Organizzazione strutturale

7 Fibra Muscolare: Organizzazione strutturale

8 Fibra Muscolare: Organizzazione strutturale: il sarcomero IMMAGINE DI UN SARCOMERO

9 Fibra Muscolare: Organizzazione strutturale: filamenti spessi (miosina)

10 Fibra Muscolare: Organizzazione strutturale: filamenti sottili (actina, tropomiosina, complesso troponinico)

11 Fibra Muscolare: Organizzazione strutturale: filamenti sottili (actina, tropomiosina, complesso troponinico)

12 Fibra Muscolare: Organizzazione strutturale: il sarcomero, proteine strutturali

17 Fibra Muscolare: Contrazione muscolare: cross bridge

18 Fibra Muscolare: Unità motoria sinapsi neuromuscolare

21 Fibra Muscolare: Vie di trasmissione del segnale elettrico

22 Fibra Muscolare: Eccitazione contrazione rilasciamento Potenziale d azione lungo la membrana della fibra muscolare e dei tubuli T Attivazione dei recettori delle diidropiridina nei tubuli T e della rianodina nella membrana del reticolo sarcoplasmatico Liberazione di Ca2+ nel citoplasma da parte del reticolo Legame del calcio con la troponina C Spostamento delle tropomiosina verso l interno del filamento sottile Liberazione dei siti di legame dell actina per la miosina Attacco actina-miosina Rotazione della testa della miosina Contrazione Cessazione della stimolazione nervosa e recupero attivo del calcio da parte del reticolo sarcoplasmatico Diminuzione della concentrazione di calcio nel citoplasma Distacco del calcio dalla troponina C Spostamento della tropomiosina verso l esterno del filamento sottile Copertura dei siti di legame dell actina per la miosina Mancata formazione di nuovi legami actina-miosina Rilasciamento

23 Tipi di contrazione Isometrica: lunghezza costante Eccentrica: allungamento muscolare durante la contrazione Concentrica: accorciamento muscolare Isotonico: tensione costante Isocinetico: velocità costante

24 La forza muscolare Diametro della fibra

25 La forza muscolare Lunghezza dei sarcomeri

26 La forza muscolare Quantità di calcio che si lega alla troponina C

27 La forza muscolare Tipi di miosina I IIa IIx

28 Velocità di accorciamento muscolare Carico applicato: relazione Forza-Velocità una fibra si può accorciare se il carico o peso ad essa applicato è inferiore alla forza isometrica che essa è in grado di sviluppare. Se il carico è eccede tale valore, no vi sarà accorciamento, ma solo una contrazione isometrica. In contrazioni isotoniche la relazione tra carico applicato e velocità di accorciamento è data dalla relazione forza-velocità, che assieme alla relazione tensionelughezza, è la relazione fondamentale per descrivere le proprietà contrattili del muscolo. (a carichi bassi corrispondono movimenti più veloci, mentre a carichi alti corrispondono movimenti più lenti) Attività ATPasica della miosina: a parità di carico applicato, la velocità del ciclo di interazione actina-miosina dipende dall attività ATPasica della miosina, cioè dalla rapidità con cui la miosina scinde l ATP e, soprattutto si libera dei suoi prodotti dell idrolisi. La MHC-I ha un attività ATPasica 3-4 volte più bassa rispetto alle altre due, mentre la MCH-IIa ha valori intermedi. Questo fa si che le fibre che contengono MHC-I siano 7-8 volte più lente rispetto a quelle che contengono IIx. Massima forza isometrica sviluppata

29 Controllo della forza muscolare

30 ARCHITETTURA MUSCOLARE L architettura di un muscolo si riferisce sostanzialmente all orientamento delle sue fibre rispetto all asse di generazione della forza che si identifica con la linea che unisce le due aree di inserzione tendinea a livello dei segmenti ossei. Se le fibre sono parallele a suddetto asse il muscolo si dice fusiforme, se invece sono orientate tutte con un certo angolo si dice pennato

31 Unità muscolo tendinea

32 Quando un muscolo si contrae esso esercita una forza su ciò a cui è attaccato (questa forza è uguale alla tensione nel muscolo) e si accorcia se gli è consentito di farlo. Pertanto noi possiamo misurare due diverse variabili durante la contrazione di un muscolo: la sua lunghezza e la sua tensione. Nella maggior parte dei casi una di queste due variabili è mantenuta costante durante la contrazione. Nella contrazione isometrica al muscolo non è consentito l'accorciamento (la sua lunghezza è mantenuta costante) e si misura la tensione prodotta. Nella contrazione isotonica il carico sul muscolo (che è uguale alla tensione prodotta nel muscolo) è mantenuto costante e si misura la accorciamento. isometrico: a lunghezza costante isotonico: a tensione costante

33 MODELLO MECCANICO DEL MUSCOLO In condizioni isometriche la somministrazione di uno stimolo (reclutamento di tutti i motoneuroni) determina una risposta meccanica che compare in ritardo rispetto ad un aumento della concentrazione di calcio nel citoplasma; perché tale ritardo?. (per quale ragione il transiente di forza appare raggiungere il proprio valore massimo molto dopo il massimo della variazione di concentrazione di calcio?) una delle spiegazioni consiste nel fatto che la forza non viene misurata a livello dei sarcomeri ma ai capi tendinei. In realtà si può supporre che esistano all interno del muscolo dei filtri che in un certo senso rallentano la risposta meccanica. Da un punto di vista meccanico tali filtri identificano negli elementi elastici e degli elementi smorzatori, che accumulano e restituiscono energia durante la fase di contrazione e rilasciamento. La componente elastica in serie all elemento contrattile rappresenta l elasticità del tendine, dell aponeurosi e dei ponti trasversali. La componente elastica in parallelo rappresenta le caratteristiche del sarcolemma, del connettivo fasciale, delle proteine strutturali del citoscheletro, e della componente extracellulare del connettivo. L elemento smorzatore, o viscoso, descrive l opposizione del muscolo a rapidi cambiamenti di velocità di contrazione. Quest ultimo sarebbe contenuto negli elementi contrattili e nel connettivo.

34 Contrazione isometrica Nella contrazione isometrica entrambe le estremità del muscolo sono fissate così che il muscolo non può accorciarsi, e si misura la contrazione come sviluppo di tensione. Un singolo stimolo produce un rapido aumento della tensione che poi decade (scossa singola, o twitch). La durata di una scossa singola varia da muscolo a muscolo, e decresce con l'aumento della temperatura. Per un muscolo sartorio di rana a 0 C, tipicamente il tempo che intercorre tra l'inizio della contrazione e il suo picco è di circa 200 ms, mentre la tensione decade a zero entro 800 ms

35 Se un secondo stimolo è applicato prima che la tensione della prima contrazione sia decaduta a zero, il picco della tensione del secondo stimolo è più alto di quello del primo (traccia b); questo effetto prende il nome di sommazione meccanica. Stimolazioni ripetute a bassa frequenza producono quindi una traccia di tensione che presenta una serie di gibbosità (traccia c). Mano a mano che la frequenza di stimolazione viene aumentata, si raggiunge un punto in cui le gibbosità si perdono e la tensione cresce in modo continuo e senza ondulazioni fino ad uno stato stazionario (traccia d). Si dice che il muscolo è allora in tetano, e la minima frequenza a cui questo si osserva viene denominata frequenza di fusione.

36 La componente passiva (curva in rosso) si ottiene allungando il muscolo, a partire da una lunghezza di riposo (tensione 0), e misurando i relativi valori di tensione. Si può vedere come per lunghezze pari al 200% di L0 il muscolo si rompe. Se riportiamo il muscolo a L0 e somministriamo al nervo motore uno stimolo di ampiezza massimale (tutti i motoneuroni attivati) a frequenza tetanica otteniamo una tensione isometrica di riferimento, T0. diminuendo man mano la distanza tra i vincoli e somministrando lo stesso tipo di stimolazione, potremo notare che la tensione rilevata andrà diminuendo fino ad annullarsi per lunghezze pari al 30% di L0. Aumentando la distanza tra i vincoli oltre L0, e stimolando il nervo motore la risposta meccanica mostra una diminuzione della tensione, fino a circa 150%

37 Curva tensione lunghezza Per lunghezze superiori si ottiene un proporzionale aumento di tensione causato da un aumento dello sviluppo di tensione passiva (vedi modello meccanico del muscolo) già descritto, la quale và a sommarsi a quella attiva (prodotta dal muscolo). Questa relazione è indicata con la linea verde del disegno. La differenza punto a punto tra la tensione passiva e quella attiva permette di costruire la relazione tensione attiva-lunghezza dell unità muscolo tendinea, riportata in nero. In genere un muscolo scheletrico inserito ai suoi capi ossei varia la propria lunghezza in un ambito compreso tra 0,7 e 1,2 di L0.

38 Velocità (µm/sec) Fisiologia Muscolare Curva forza - velocità Tipo IIa Tipo IIx Tipo I

39 La relazione forza-veocità si costruisce applicando ad un muscolo o ad una fibra muscolare a riposo un peso (carico), noto, e determinando la velocità di accorciamento contro tale peso durante una contrazione isotonica. La manovra dovrà essere ripetuta utilizzando pesi diversi compresi tra P0 e zero. I muscoli o le fibre muscolari vengono disposti verticalmente e collegate in alto ad un trasduttore di forza, che misura la forza sviluppata, ed in basso a pesi (peso A, peso B ) che a riposo poggiano su un supporto. I pesi possono essere aumentati o diminuiti in modo da variare il carico che la fibra deve sollevare per potersi accorciare. Se il carico applicato è inferiore alla massima forza isometrica di quel muscolo, il muscolo dopo una fase isometrica si può accorciare. Se il peso è superiore alla forza isometrica il muscolo non si accorcia e compie una contrazione isometrica. Tipo IIx Tipo IIa Se a livello del collegamento tra il capo muscolare ed i pesi, viene rilevata la variazione di lunghezza (l altezza del peso raggiunta durante la contrazione) e messa in relazione con una scala tempo, è possibile, in base ala pendenza del tracciato ottenuto, stabilire la velocità di accorciamento. Tipo I Dalla relazione f-v è possibile calcolare la massima potenza sviluppata da un muscolo e la velocità alla quale essa viene sviluppata. Moltiplicando i valori di carico, per i corrispondenti valori di velocità si ottiene una curva potenzavelocità. (nell asse delle Y potenza sviluppata; nell asse delle X velocità di accorciamento)

40 I neuroni sensoriali del fuso neuromuscolare sono sensibili allo stiramento. Già in condizioni di riposo, la loro porzione intermedia è sufficientemente stirata per indurli ad inviare impulsi nervosi, che affidano alle fibre sensitive. Nel midollo spinale tali fibre contraggono sinapsi direttamente con i motoneuroni alfa deputati all'innervazione dello stesso muscolo da cui sono partite. Grazie a questa attività basale il muscolo a riposo mantiene, sempre e comunque, un certo grado di tensione, definito "tono muscolare".

41 Durante i movimenti, il fuso si allunga e si accorcia insieme al muscolo. Di conseguenza, qualsiasi gesto che porti ad un allungamento delle fibre muscolari interesserà allo stesso modo anche i fusi, determinando un aumento della frequenza degli impulsi in uscita. Questi segnali vengono immediatamente rielaborati a livello del midollo spinale, causando la contrazione riflessa del muscolo e preservandolo dal danno determinato da un suo eccessivo stiramento. L'entità di questa contrazione muscolare riflessa è tanto più intensa quanto maggiore è la frequenza degli impulsi nervosi (a sua volta direttamente proporzionale al grado di stiramento captato dalle fibre sensitive del fuso neuromuscolare). Contemporaneamente all'attivazione dei motoneuroni alfa, le fibre sensoriali inibenti attivano gli interneuroni inibitori deputati al temporaneo "silenziamento" degli alfa motoneuroni che innervano i muscoli antagonisti, impedendone la contrazione. Il tutto avviene con un meccanismo involontario, detto riflesso da stiramento o riflesso miotatico [da myo = muscolo e tasis = stiramento].

42 Gli organi tendinei del Golgi sono propriocettori deputati alla raccolta ed alla trasmissione di dati inerenti la tensione sviluppata dai muscoli. Situati a livello della giunzione muscolo-tendine, là dove le fibre extrafusali si continuano con quelle tendinee, sono coinvolti nella genesi del cosiddetto riflesso miotatico inverso: quando i muscolisono contratti, soprattutto se in maniera isometrica, gli organi del Golgi rilevano il grado di tensione sviluppato, innescando un riflesso che porta al rilasciamento muscolare. Così facendo, proteggono lefibre dai danni da eccessiva contrazione. Aldilà di questo classico ruolo fisiologico, oggi peraltro ridimensionato, non bisogna dimenticare che gli organi muscolo tendinei del Golgi sono sensibili anche a tensioni ridotte e rimangono attivi a tutti i livelli di accorciamento muscolare. Non agiscono quindi come semplice meccanismo "di emergenza", ma come "centralina di rilevamento", utile per informare il SNC sul grado di tensione sviluppata durante i movimenti.

43 la contrazione muscolare sottopone i tendini ad un certo grado di stiramento, che viene trasmesso agli organi muscolo tendinei del Golgi. Si ritiene che tale trazione provochi l'avvicinamento delle stringhe fibrose, aumentando la pressione sulle terminazioni sensoriali Ib ed inducendole alla scarica. Questa successione di impulsi viene inviata al midollo spinale, dove eccita degli interneuroni inibenti che sopprimono imotoneuroni alfa deputati all'innervazione dello stesso muscolo dal quale è partito il segnale. Di conseguenza, la contrazione muscolare rallenta o cessa in risposta agli stimoli provenienti dagli organi muscolotendinei del Golgi. L'intero processo prende il nome di riflesso miotatico inverso, o a serramanico, ed ha una duplice funzione: da un lato risulta utile per evitare le lesioni tendinee causate da una contrazione troppo violenta e dall'altro preserva i muscoli dai danni associati al brusco decremento del carico applicato. Il riflesso miotatico inverso, innescato dagli organi muscolo tendinei del Golgi, si oppone quindi ad eccessivi accorciamenti, al contrario del normale riflesso miotatico, innescato daifusi muscolari, che si oppone ad eccessivi stiramenti del muscolo.