IL MUSCOLO SCHELETRICO

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1 IL MUSCOLO SCHELETRICO Acqua (circa il 75%) Proteine (circa il 20%) le più importanti sono la miosina e l actina Glucidi ( %) il più importante è il glicogeno Grassi, colesterolo e fosfolipidi Sali minerali (5%) Enzimi Creatina, urea, acido lattico Mioglobina (deposito di Ossigeno)

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3 Costituito da MIOCITI o fibre muscolari: cellule polinucleate di forma allungata Numerosi miociti si associano in fasci paralleli. Il muscolo origina da un gran numero di fasci paralleli cementati da tessuto connettivo interstiziale Miofibrilla: una serie continua di unità contrattili detti SARCOMERI contiene filamenti spessi e filamenti sottili Ogni miofibrilla è circondata dal reticolo sarcoplasmatico o sarcolemma, un sistema di vescicole membranose

4 Proteine della miofibrilla proteine a funzione contrattile (actina e miosina, costituiscono il 70% delle proteine totali) proteine con funzione regolatoria (tropomiosina e troponina) proteine strutturali sono parte del citoscheletro cellulare (actinine, desmina, nebulina, titina, distrofina, etc.) proteine enzimatiche che sostengono il metabolismo muscolare (mioglobina, catalasi, citocromi, perossidasi, enzimi glicolitici, enzimi del ciclo degli acidi tricarbossilici)

5 LE MIOSINE Famiglia di proteine motrici che legano l actina e idrolizzano l ATP ad ADP + Pi. Miosina II: scoperta nel muscolo scheletrico, è la più abbondante ed è presente in molti tipi cellulari (1 molecola miosina ogni 100 di actina). Miosina I proteina motrice a basso peso molecolare associata alle membrane cellulare; sembra coinvolta nelle interazioni membranamembrana Miosina V coinvolta nel trasporto di organuli e molecole. Presente in tutti i neuroni encefalici Miosina VI nella maggior parte dei tessuti la sua mutazione causa problemi all udito per deficit motori alle ciglia delle cellule dell orecchio interno.

6 La miosina II (60-70%) PM sei subunità: 2 catene pesanti identiche con teste globulari N-terminali (PM 230 kda) 4 catene leggere (PM 20 kda) ELC catene leggere essenziali RLC catene leggere regolatrici Ad andamento sinistrorso

7 Nella testa della miosina è presente: - Sito di legame per ATP - Attività ATPasica - Sito di legame per la actina - La regione della testa per trattamento con papaina produce il frammento S-1 La trasformazione dell energia chimica in lavoro meccanico dipende: 1. da cambiamenti conformazionali indotti dal legame dell ATP 2. dalla idrolisi dell ATP 3. dalla liberazione di Pi e ADP

8 Frammento S1: 2 domini con ruolo funzionale nella contrazione. Collo: contiene un dominio di 20 kd di catena pesante associato a 2 catene leggere con funzione regolatoria e stabilizzatrice. Dominio motore: di 70 kd con 3 sottodomini 1. sito di attività ATPasica, lega l'atp e i suoi prodotti di idrolisi 4 siti di regolazione dell attività enzimatica: switch I e II; LOOP1, p-loop 2. 4 siti di interazione con l'actina 3. sito convertitore che a seguito dell'idrolisi dell'atp imprime al collo un movimento rotatorio che trascina l'actina ancorata.

9 Struttura di un filamento spesso Diverse centinaia di molecole di miosina: le code fibrose Interagiscono fra loro, le teste sono proiettate verso l esterno

10 L actina: presente in tutte le cellule eucariotiche, 20-25% delle proteine muscolari G-Actina: molecola globulare monomerica PM 42Kd le molecole di actina G si aggregano a due a due in lunghi polimeri per formare l actina fibrosa o Actina F FUNZIONI: 1) interagire con le teste di miosina 2) Stimolare l attività ATP-asica della miosina (200 volte)

11 Sintesi dei microfilamenti di actina Dominio 1 e 2 (estremità N- e C-terminale) coinvolto nelle interazioni con la testa della miosina. Domini 3 e 4 coinvolti nelle interazioni con altri monomeri di actina G. All'interno della struttura è presente una tasca: Sito di legame per l ATP ed uno ione metallico (Mg 2+ o Ca 2+ ) richiesti entrambi per la polimerizzazione della molecola. n-actina-g + natp + nca 2+ n-actina-atp-ca 2+ n-actina-g-atp-ca 2+ actina-f-adp n + nca 2+ + npi Dopo la polimerizzazione, l ATP si idrolizza ad ADP, che resta intrappolato nel polimero. Il complesso actina G-ATP-Ca 2+ si aggrega velocemente per formare Actina F.

12 I filamenti di actina sono polari, con un estremità positiva (+) a crescita veloce ed una negativa (-), inerte ed a crescita lenta. La conformazione complessiva dell actina F è elicoidale (doppia elica destrorsa). n-actina-g + natp + nca 2+ n-actina-atp-ca 2+ n-actina-g-atp-ca 2+ actina-f-adp n + nca 2+ + npi

13 Nelle cellule muscolari i filamenti di actina sono stabili Nelle cellule non muscolari formano complessi facilmente dissociabili e ricostituibili con ruolo strutturale o per il movimento

14 Struttura di un FILAMENTO SOTTILE Actina F tropomiosina un avvolgimento avvolto di due subunità α-elicoidali; troponina in cui le sfere azzurre sono gli ioni Ca 2+

15 TROPOMIOSINA: PM , proteina dimerica con catene α e β due α-eliche avvolte. I filamenti di tropomiosina alloggiano lungo la scalanatura delle 2 catene di actina F, ogni molecola di tropomiosina contatta 7 monomeri di actina. azione regolatrice sulla interazione actina-miosina nella contrazione. Funzione: maschera o espone i siti di legame per la miosina sui filamenti di actina con meccanismo calciodipendente;

16 TROPONINA: Si trova legata alla tropomiosina ad intervalli periodici di circa 40 nm. PM , 3 subunità: Troponina C (TnC): simile alla calmodulina con 4 siti di legame per il calcio, regola le interazioni delle altre due subunità con le proteine del filamento sottile. Troponina I (TnI): inibisce l'interazione actina-miosina Troponina T (TnT): interagisce con tropomiosina Funzione: inibire la contrazione muscolare quando i livelli di Calcio intracellulare sono bassi e attivarla quando i livelli di calcio aumentano

17 Struttura tridimensionale della troponina C: conformazione a manubrio. Contiene 4 siti di legame per gli ioni metallici bivalenti: - 2 nella regione C-terminale con elevata affinità per Ca nella regione N-terminale che legano Ca 2+ quando la sua concentrazione aumenta (dopo l eccitazione)

18 Ogni monomero di G-actina lega una testa di una miosina

19 Sistema Tropomiosina-troponina: MODIFICAZIONE CONFORMAZIONALE Ca ++ DIPENDENTE TROPOMIOSINA: si lega ai filamenti sottili di actina e blocca il legame con le teste di miosina TROPONINA lega ioni Ca ++ (alla subunità C) MODIFICAZIONE CONFORMAZIONALE: vengono esposti i siti di interazione tra actina e testa di miosina il processo di contrazione inizia

20 Sarcomero é l unità ripetitiva funzionale contrattile:tra due linee Z contigue Banda A: formata dai miofilamenti spessi intercalati con una parte dei miofilamenti sottili Banda H: costituisce la parte centrale della Banda A Banda I: costituisce la parte non sovrapposta dei filamenti sottili Linea M: formata da proteine strutturali cui si agganciano i filamenti spessi (coda-coda) Linea Z : proteine strutturali dove si agganciano i filamenti sottili e divide a metà la banda I

21 PROTEINE STRUTTURALI Interagiscono con la actina in corrispondenza con la linea Z: a-actinina Desmina Filamina Vimentina Proteina Z Interagiscono con la miosina in corrispondenza della linea M: Proteina M Miomesina Proteina H TITINA (struttura elastica) NEBULINA (struttura inestensibile) Connettono le linee Z con le catene miosiniche impedendo dopo una eccessiva tensione lo sfibramento del sarcomero.

22 PROTEINE CHE CONNETTONO IL SARCOLEMMA con l apparato contrattile DISTROFINA contatta l'actina F, con la laminina Complesso distrofina-glicoproteine di membrana Funzioni: stabilizza la membrana sarcoplasmatica durante i cicli di contrazione/decontrazione; mantiene ferma la topologia delle proteine di membrana durante l'attività contrattile; correla la forza contrattile generata dalla fibra con l'ambiente extracellulare. Mancanza di distrofina o distrofina anomala provoca Miodistrofia degenerativa di Duchenne

23 Organizzazione dei filamenti spessi e dei filamenti sottili- tipico aspetto striato Microfotografia di una fibra muscolare

24 CONTRAZIONE MUSCOLARE Per la contrazione muscolare sono necessarie tre ATPasi: 1. Na + /K + -ATPasi 2. Ca + ATPasi (nel reticolo sarcoplasmatico) 3. ATPasi miosinica (nella testa della miosina) L energia per la contrazione muscolare è fornita dall idrolisi dell ATP La concentrazione intracellulare di ATP durante l attività fisica non varia

25 Processo di contrazione muscolare a livello di un singolo sarcomero Ca + ATPasi MIOSINA ENERGIZZATA ACTOMIOSINA ACTOMIOSINA-ADP + Pi COLPO DI FORZA Reticolo sarcoplasmatico

26 MECCANISMO DELLA CONTRAZIONE Tappe della reazione Miosina-ATP + H 2 0 Miosina (energizzata)-adp-pi + H + Miosina (energizzata)-adp-pi + Actina Actomiosina-ADP-Pi Actomiosina-ADP-Pi Actomiosina-ADP + Pi L'energia di idrolisi dell'atp, intrappolata sotto forma di miosina energizzata, viene utilizzata per la contrazione. Actomiosina-ADP + ATP Actina + Miosina-ATP + ADP ADP viene sostituito con una nuova molecola di ATP.

27 LE TESTE DI MIOSINA SCORRONO SUI FILAMENTI DI ACTINA. In risposta al legame, idrolisi di ATP e rilascio di fosfato

28 LA CONCENTRAZIONE DI ATP IN UNA CELLULA MUSCOLARE RIMANE COSTANTE Due enzimi: CREATINA FOSFOCHINASI: Fosfocreatina + ADP ATP + creatina ADENILATO CHINASI: 2ADP ATP + AMP Per l esaurimento di ATP e di Ca 2+ la miosina resta legata all actina (rigor mortis) ATP favorisce la dissociazione del complesso actina-miosina

29 I meccanismi energetici che sintetizzano l ATP per la contrazione muscolare sono: 1. Sistema Creatina- fosfocreatina 2. Metabolismo aerobio attraverso la fosforilazione ossidativa 3. Glicolisi anaerobia

30 Contrazioni brevi ad elevato rilascio di energia Il muscolo scheletrico può mantenere una elevata intensità di forza solo per un breve periodo di tempo tramite: 1. Elevata ATPasi miosinica - Formazione del complesso miosina-adp 2. La dissociazione del complesso richiede altro ATP 3. Rapida sintesi di ATP tramite fosforilazione a livello del substrato che si avvale di fosfocreatina

31 La concentrazione di ATP rimane costante durante l esercizio muscolare (prestazione fisica rapida ed intensa) Creatina fosfochinasi (CK): creatina-p +ADP creatina + ATP Adenilato chinasi: 2ADP ATP + AMP L'attività ATPasica della miosina produce ADP che attiva la CK La creatina è sintetizzata nel fegato e nel rene dall arginina e dalla glicina. Attraverso il circolo raggiunge il muscolo dove viene fosforilata reversibilmente da CK in creatina-p (10-30 mm) composto ad elevata energia capace di rigenerare ATP da ADP in una reazione reversibile.

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33 MUSCOLO A RIPOSO INTENSA ATTIVITA METABOLICA Tampone per l ATP CK proteina dimerica di cui sono noti tre isoenzimi Subunità M (muscle); subunità B (brain). MM (muscolo scheletrico), BB (cervello), MB (tessuto cardiaco) Costante di equilibrio 1: sensibile a piccole variazioni di reagenti/prodotti (fosfocreatina mm).

34 Dopo i primi minuti di contrazione ad elevato rilascio di energia la forza di contrazione si riduce rapidamente: I depositi di creatina-p diminuiscono fosfofruttochinasi-1 Attivazione allosterica Aumento di Calcio citoplasmatico GLICOLISI AMP ADRENALINA fosforilasi chinasi (fosforilasi b in fosforilasi a) GLICOGENOLISI MUSCOLARE: principale fonte di energia

35 Reazione di emergenza catalizzata dalla adenilato chinasi: 2 ADP ATP + AMP REGOLAZIONE: AMP stimola allostericamente la fosfofruttochinasi e la glicogeno fosforilasi GLUT-4 AMP + AMP deaminasi 5'-nucleotidasi (sarcolemma) AMP + H 2 O ADENOSINA + Pi L'adenosina si lega ai recettori cellulari, provoca vasodilatazione. Aumento del flusso ematico: maggiore apporto di O 2 e substrati ossidabili AMP + H 2 O IMP + NH 3 IMP + Aspartato + GTP adenilsuccinato AMP + Fumarato + GDP + Pi L'NH 3 tampona la riduzione di ph per la produzione di ac.lattico il fumarato entra nel ciclo di Krebs.

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37 Contrazioni di bassa intensità e lunga durata Glicogeno muscolare glicolisi LATTATO glucosio Dopo i primi di esercizio fisico Deplezione di fosfocreatina, accumulo di lattato con riduzione ph: FATICA Si passa dal metabolismo glicogenolitico e glicolitico aerobio Gluconeogenesi epatica Metabolismo ossidativo degli acidi grassi

38 FATICA MUSCOLARE L affaticamento dopo pochi secondi di un esercizio molto intenso è dovuto all abbassamento del ph per eccessiva produzione di acido lattico La fatica muscolare è causata dai protoni liberati dall'acido lattico 1) Diminuzione dell attività della Fosfofruttochinasi 2) Riduzione nella liberazione di Ca ++ dal reticolo sarcoplasmatico 3) Spiazzamento del Ca ++ dal suo sito di legame sulla Troponina 4) Riduzione dell'attività ATPasica miosinica 5) Rallentamento dell interazione actina-miosina

39 Debito di ossigeno Il debito di ossigeno, viene pagato dopo uno sforzo; serve per riossigenare Hb ed Mb e per la gluconeogenesi da lattato. CICLO DI CORI Il lattato prodotto dalle fibre rapide bianche va al fegato ove viene trasformato in glucosio: ciclo di Cori. Il senso di fatica o di spossatezza che segue un esercizio rapido ed intenso (anaerobiotico) è dovuto alla deplezione di fosfocreatina e all acidificazione del sangue da acido lattico.

40 METABOLITI DURANTE L ESERCIZIO FISICO

41 Attività muscolare prolungata (resistenza) Quando il consumo di ATP supera la sua velocità di sintesi (Affaticamento) Es: quando il contenuto di glicogeno muscolare si azzera il maratoneta si ferma Gligogeno epatico Glicolisi Glucosio piruvato Gluconeogenesi epatica Apporto dietetico Ossidazione acidi grassi REAZIONE ANAPLEROTICA (Piruvato decarbossilasi) Acetil-CoA ossalacetato Ciclo di Krebs Corpi chetonici beta-idrossibutirrato

42 LA MOBILIZZAZIONE DEL GLICOGENO PER PRODURRE GLUCOSIO, UNA SORGENTE DI ENERGIA PER QUESTI CORRIDORI

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44 Effetti benefici dell esercizio fisico

45 Il metabolismo delle proteine e degli Amminoacidi Alanina e Glutammina sono neosintetizzati dal muscolo, sono ceduti al sangue e trasportano al fegato e al rene l azoto derivante dalla degradazione degli amminoacidi Le proteine muscolari durante il digiuno prolungato sono degradate trasportate al fegato ed utilizzate a scopi energetici

46 Le proteine muscolari durante il DIGIUNO PROLUNGATO sono degradate,trasportate al fegato ed utilizzate a scopi energetici

47 CICLO GLUCOSIO-ALANINA

48 METABOLISMO ENERGETICO DEI MUSCOLI Consumo di ATP Carburanti Glucosio, acidi grassi, corpi chetonici Depositi energetici Creatina fosfato (basta per pochi secondi) Glicogeno (2%) Fonti di ATP Fosfocreatina Fosforilazione ossidativa Glicolisi aerobia/anaerobia Adenilato chinasi o miochinasi

49 FONTI ENERGETICHE PER LA CONTRAZIONE MUSCOLARE Creatina fosfato Il glicogeno muscolare può trasformarsi in acido lattico Il glicogeno muscolare può trasformarsi in CO 2 e H 2 O Il glicogeno epatico può trasformarsi in CO 2 e H 2 O Gli acidi grassi del tessuto adiposo possono trasformarsi in CO 2 e H 2 O Corpi chetonici

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51 Fibre muscolari rosse I (ricche di mioglobina e mitocondri) Contrazione lenta grande capacità ossidativa, richiesta di ATP continua ATP ossidazione di piruvato, ciclo di Krebs, β-ossidazione acidi grassi, fosforilazione ossidativa mitocondriale Livelli di fosfocreatina bassi La glicolisi anaerobica solo nel periodo iniziale dell esercizio: rifornimento di O 2 non adeguato richiesta di ATP superiore alla produzione aerobica (elevata irrorazione) Reazione LDH favorita: lattato piruvato; NAD + /NADH: rapporto elevato, favorisce lattato piruvato;

52 Fibre muscolari bianche IIa IIb (mitocondri scarsi) Contrazione rapida e intensa grande capacità glicogenolitica e glicolitica ATP Glicogeno muscolare (glicogenolisi/glicolisi) Livelli di fosfocreatina abbondanti Glicolisi anaerobica NAD+/NADH: rapporto basso, favorisce piruvato lattato; acido lattico ossidato durante la fase di riposo: debito di ossigeno;

53 Substrati utilizzati Prodotti finali Attività ATPasi miosinica mitocondri Dipendenza da ossigeno Attività glicolitica Fosfocreatina FIBRE BIANCHE Contrazione rapida e intensa glucosio Ac. lattico elevata Pochi bassa alta notevole FIBRE ROSSE Contrazione lenta Ac.grassi, glucosio CO 2 e H 2 O bassa Molti elevata bassa bassa

54 Contributo relativo di ciascuna via variabile in relazione al tipo di esercizio e di muscolo. Es. muscolo con prevalenza di fibre rosse: esercizio intenso-breve: ATP dalla glicolisi anaerobica sostenuta principalmente dal glicogeno muscolare; esercizio intenso-intermittente: ATP dalla via ossidativa sostenuta dal glicogeno epatico e acidi grassi; esercizio moderato-continuo: ATP dalla via ossidativa che utilizza poco glucosio, molti acidi grassi e in misura minore corpi chetonici e amminoacidi.

55 Nei muscoli scheletrici fibre di tutti i tipi ma in proporzioni diverse fibre II prevalgono negli strati superficiali, Fibre I in strati profondi; fibre II prevalgono in soggetti che effettuano esercizio intenso-rapido (scattisti); fibre I esercizio lento-prolungato (maratoneti). L allenamento anaerobico trasforma le fibre I in fibre II, l allenamento aerobico induce la trasformazione opposta.

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