Muscolo scheletrico e contrazione muscolare

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1 Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia Fisiologia e Biofisica A.A Muscolo scheletrico e contrazione muscolare Prof. Clara Iannuzzi Dipartimento di Biochimica, Biofisica e Patologia Generale clara.iannuzzi@unina2.it

2 I muscoli hanno due funzioni: generare movimento generare forza I muscoli scheletrici generano anche calore e contribuiscono alla termoregolazione (in ambiente freddo, il cervello ordina ai muscoli di contrarsi e questo origina il brivido, che crea calore) Energia chimica Muscolo Energia meccanica Il muscolo ha la funzione di trasformare l energia chimica in energia meccanica.

3 Le fibre muscolari scheletriche appaiono striate e multinucleate. Controllano i movimenti del corpo. Sono volontari, si contraggono in risposta a stimoli che provengono da motoneuroni. Le fibre muscolari cardiache sono uninucleate e striate. Si connettono tra loro attraverso dischi intercalari. Sono involontarie, si contraggono spontaneamente senza stimoli esterni. L attività è modulata dal sistema nervoso viscerale e anche dal sistema endocrino. Muscolo liscio è il tipo principale di muscolo degli organi interni e cavi, come stomaco, vescica, vasi sanguigni. Cellule uninucleate senza evidenti striature.

4 Muscolo scheletrico Connettivo Fibre muscolari Vasi sanguigni Nervi Reticolo sarcoplasmatico Miofibrille Sarcolemma Tubuli T Nuclei Sarcoplasma Mitocondri Glicogeno

5 Struttura muscolo scheletrico

6 Struttura fibra muscolare scheletrica Contengono l apparato contrattile della fibra muscolare

7 Fibra (cellula) muscolare Tubuli T Reticolo sarcoplasmatico Sarcolemma Mitocondri Nucleo Filamento spesso Filamento sottile Miofibrilla RS e tubuli T aiutano a trasmettere i segnali dal sarcolemma alle fibrille, rendendo la cellula muscolare capace di rispondere al segnale nervoso.

8 Struttura sarcomero Quando osservate al microscopio esse presentano una striatura. Per questo motivo il muscolo scheletrico, così come il muscolo cardiaco, viene indicato come muscolo striato.

9 FILAMENTI SPESSI MIOSINA: proteina oligomerica p.m catene pesanti (heavy chains) p.m coppie di catene leggere (light chains) non identiche p.m e

10 Ciascuna catena pesante Dominio C-terminale: α-elicoidale lunghezza 134 nm, diametro 2 nm (coda della miosina) Dominio N-terminale: globulare (testa della miosina) Coda Ogni coppia di catene leggere è legata al dominio globulare di ciascuna catena pesante nel tratto che connette testa e coda.

11 Testa Snodo

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13 Assemblaggio dei filamenti spessi nelle miofibrille Le code di molecole di miosina adiacenti si dispongono in modo sfalsato, con le teste che sporgono in modo ordinato dal filamento spesso con un andamento ad elica.

14 La testa rappresenta la parte che lavora della molecola di miosina, essa è infatti la parte che genera attivamente la forza meccanica sviluppata dal muscolo. Ciascuna testa possiede due siti cruciali per la generazione della forza contrattile: Sito di fissazione dell actina: lega monomeri di actina Sito ATPasico: possiede attività enzimatica e idrolizza ATP Poichè nella porzione centrale del filamento spesso non sono presenti ponti trasversali, questa parte viene detta zona nuda.

15 Nel muscolo scheletrico circa 250 molecole di miosina si uniscono a formare un filamento spesso, il quale è sistemato in modo che le teste di miosina si raggruppano all estremità, mentre la regione centrale è un fascio di code di miosina

16 FILAMENTI SOTTILI MONOMERI DI ACTINA G (capaci di legare la miosina) Proteine regolatrici: TROPOMIOSINA: proteina filamentosa che si estende al di sopra delle molecole di actina, bloccandone il legame con la miosina quando il muscolo è a riposo. TROPONINA: Complesso di tre proteine; una attacca il filamento di actina una si fissa alla tropomiosina una in grado di legare reversibilmente ioni Ca 2+

17 Assemblaggio dei filamenti sottili nelle miofibrille I monomeri di actina G (globulare) sono legati come perle in una collana a formare strutture filamentose dette actina F (proteina fibrosa). A loro volta due filamenti di actina F si intrecciano in una struttura a doppia elica in modo da formare i filamenti di actina che caratterizzano i filamenti sottili. Il legame con le proteine regolatrici consente alle fibre muscolari di iniziare e terminare la contrazione.

18 FILAMENTI SOTTILI

19 Troponina TnT Legame Tn-tropomiosina TnI Legame Actina-TnC TnC Legame Ioni Ca ++

20 Disposizione dei filamenti spessi (miosina) e sottili (actina) nel muscolo scheletrico

21 I filamenti spessi e sottili sono connessi da ponti trasversali, detti anche ponti crociati, costituiti dalle teste di miosina che si legano lassamente ai filamenti di actina. Ogni molecola di G-actina ha un singolo sito di legame per una testa di miosina. Dischi Z: strutture proteiche a zig zag, che fungono da sito di attacco per i filamenti sottili. Un sarcomero è composto da due dischi Z e dai filamenti tra essi compresi Linea M: questa banda rappresenta il sito di attacco dei filamenti spessi linea M disco Z disco Z SARCOMERO

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23 La titina è una enorme proteina elastica che occupa tutta la distanza tra disco Z e linea M. Ha la funzione di agevolare il ritorno del sarcomero allungato alla sua lunghezza di riposo; inoltre stabilizza la disposizione dei filamenti all interno del sarcomero con l aiuto della proteina non elastica nebulina. La nebulina si trova di fianco ai filamenti sottili e si attacca ai dischi Z. Garantisce l allineamento dei filamenti di actina del sarcomero.

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25 TEORIA DELLO SCORRIMENTO DEI FILAMENTI Quando un sarcomero si contrae, i filamenti sottili e spessi non cambiano in lunghezza. Il filamento sottile di actina scivola sul filamento spesso di miosina, spostandosi verso la linea M al centro del sarcomero. La banda A non si modifica in lunghezza, ma sia la zona H che la banda I si accorciano mentre i filamenti si sovrappongono.

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27 La forza che spinge il filamento di actina è il movimento dei ponti crociati di miosina che legano actina e miosina. La miosina è una proteina motrice che converte il legame chimico dell ATP in energia meccanica. Questo processo non continua all infinito.

28 Da cosa è regolato questo processo? Nello stato rilassato la tropomiosina blocca parzialmente i siti di legame dell actina per la miosina.

29 La contrazione viene iniziata quando il Ca 2+ si lega alla troponina C. Il legame col Ca 2+ cambia la conformazione della molecola di tropomiosina e scopre il resto del sito di legame per la miosina, così che questa può completare la propria flessione.

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31 Lo stimolo all entrata del Ca 2+ proviene da un potenziale di azione che dal motoneurone che raggiunge la fibra muscolare striata.

32 Il potenziale di membrana di queste cellule è -90mV che coincide con il valore del potenziale di equilibrio del cloro. Questo vuol dire che per il cloro c è equilibrio elettrochimico.

33 Sinapsi neuro-muscolare L arrivo di un potenziale d azione (in rosso) è in grado di depolarizzare e ripolarizzare la membrana. Esso agisce sui canali del Ca 2+ voltaggio dipendenti e permette l esocitosi delle vescicole sinaptiche contenenti il neurotrasmettitore acetilcolina.

34 I segnali per la contrazione muscolare arrivano dal SNC ai muscoli scheletrici per mezzo dei motoneuroni. L acetlcolina proveniente dal motoneurone innesca un potenziale d azione nella fibra muscolare che a sua volta scatena una contrazione. Questa combinazione di eventi elettrici e meccanici viene definito accoppiamento eccitazione-contrazione. Il Ca 2+ serve come gradiente elettrochimico e permette l esocitosi delle vescicole contenenti il neurotrasmettitore ACh. L ACh diffonde nello spazio sinaptico e va a legare specifici recettori presenti sulla membrana. Tali recettori sono colinergici di tipo nicotinico e sono recettori canale: il loro legame con ACh permette l apertura del canale e il passaggio di ioni positivi (K + e Na + ). L ACh legata viene rimossa da AChE.

35 Il legame dell ACh al recettore induce una depolarizzazione della membrana (genesi di un potenziale graduato). La polarizzazione sarà quindi direttamente proporzionale alla quantità di ACh esocitata.

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37 Quando il potenziale d azione raggiunge un recettore diidropiridina (DHP), la connessione meccanica fra il recettore e il reticolo sarcoplasmatico apre i canali per il Ca 2+. L apertura di questi canali rilascia Ca 2+ nel citoplasma, dove gli ioni si possono combinare con la troponina e permettere di iniziare la contrazione. Il rilasciamento muscolare si ha quando il reticolo sarcoplasmatico riassorbe Ca 2+ per mezzo di una Ca 2+ - ATPasi. Quando la concentrazione citoplasmatica di Ca 2+ scende, lo ione si stacca dalla troponina, la tropomiosina scivola all indietro per bloccare il sito legante la miosina, e la fibra si rilascia.

38 Il segnale elettrico che determina la fuoriuscita del Ca 2+ dal RS è localizzato nella membrana del tubulo T, e non nella membrana del RS stesso. I recettori DHP nelle membrane dei tubuli T funzionano da rivelatori di voltaggio. In seguito ad un potenziale di azione, la conformazione dei recettori DHP si modifica e trasmette un segnale ai recettori per la rianodina, determinando l apertura dei canali per il Ca 2+. A sua volta, il Ca 2+ fuoriesce dal RS e si diffonde nel citosol dove lega il complesso della troponina.

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43 Nicotina: agonista dei recettori colinergici nicotinici (recettori ionotropi) presenti sulla membrana post-sinaptica della giunzione neuromuscolare. Agonista: sostanza che mima l attività di un ligando. Legame nicotina-recettore colinergico: determina apertura dei canali ionici delle cellule post-sinaptiche, che si depolarizzano. Sebbene la nicotina sia un agonista, l esposizione a lungo termine determina inattivazione dei recettori colinergici con conseguente up-regulation degli stessi. La deprivazione da nicotina consente a tutti i recettori di ritornare allo stato attivo: il maggior numero di recettori è probabilmente responsabile dei sintomi da astinenza.

44 MIASTENIA GRAVE: malattia autoimmune in cui l organismo non riconosce i recettori colinergici come self. Gli anticorpi anti-recettore determinano una notevole riduzione dei recettori per l acetilcolina. Ne consegue che, anche se il rilascio del neurotrasmettitore è normale, la risposta è ridotta e si manifesta debolezza muscolare.

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47 SINDROME DI LAMBERT-EATON In questa patologia, la debolezza muscolare è causata da un attacco autoimmune nei confronti dei canali del calcio presenti sulla membrana presinaptica. Ciò diminuisce il flusso di ioni calcio diretti verso l interno della cellula limitando la fusione delle vescicole con la membrana e, quindi, la liberazione di acetilcolina. Stimolazioni ripetute del motoneurone facilitano l accumulo di calcio nel bottone sinaptico e facilitano la liberazione del neurotrasmettitore

48 PARALISI PERIODICA IPERKALEMICA Difetto genetico dei canali voltaggio dipendenti del sodio che non si inattivano. La fibra muscolare non si ripolarizza e non genera un nuovo potenziale d azione. Si ha accumulo di ioni potassio nel LEC.

49 I grafici a destra mostrano i potenziali d azione nel terminale assonale e nella fibra muscolare, seguiti dalla curva di tensione della scossa muscolare. Il periodo di latenza rappresenta il tempo necessario perché il Ca 2+ venga rilasciato dal reticolo sarcoplasmatico e diffonda verso i filamenti della miofibrilla. Un singolo potenziale d azione evoca una singola scossa muscolare. Le scosse sono diverse da fibra a fibra per la velocità con cui sviluppano tensione (fase ascendente della curva della scossa), la tensione massima raggiunta (altezza della curva) e durata della scossa (ampiezza della curva).

50 Fasi della scossa singola La stimolazione ripetuta del muscolo induce lo sviluppo di numerose scosse singole in successione, ognuna delle quali ha forma e grandezza uguale a quella delle altre (carattere del tutto o nulla del potenziale di azione). Sebbene le scosse siano riproducibili in un dato muscolo o fibra muscolare, esse variano notevolmente da un muscolo all altro.

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53 T < C La forza generata dal muscolo non è sufficiente a vincere il carico. Contrazioni isotoniche (T = C)

54 Lavoro prodotto dal muscolo= 0 (Nessuno spostamento) Lavoro prodotto dal muscolo 0

55 Muscolo a riposo Contrazione isometrica: il muscolo non si accorcia. I sarcomeri si accorciano generando forza ma gli elementi elastici si allungano così che la lunghezza muscolare resta costante. Contrazione isotonica: I sarcomeri si accorciano. Poiché gli elementi elastici sono allungati, l intero muscolo deve accorciarsi.

56 Contrazione fibre muscolari scheletriche Forza (Tensione) Movimento Resistenza ad un carico La tensione generata da un muscolo è direttamente proporzionale all interazione tra filamenti spessi e filamenti sottili (numero di ponti trasversali).

57 La tensione sviluppata dalla contrazione dipende direttamente dalla lunghezza dei sarcomeri prima che la contrazione inizi. Ogni sarcomero si contrarrà con il massimo della forza se è alla lunghezza ottimale, né troppo lungo né troppo corto. Se la fibra comincia la contrazione quando il sarcomero è troppo lungo, i filamenti sottili e spessi sono scarsamente sovrapposti e formano pochi ponti trasversali quindi non possono generare molta forza. Viceversa, se il sarcomero è più corto della sua lunghezza ottimale, i filamenti saranno troppo sovrapposti per cui i filamenti spessi possono spostare i filamenti sottili solo per una breve distanza. Inoltre, i filamenti spessi finiscono a contatto coi dischi Z e non possono formare ponti trasversali per cui la tensione cala rapidamente.

58 Adenosintrifosfato (ATP) Fosfato Adenina Ribosio Legame ricco d energia La contrazione del muscolo scheletrico dipende dal rifornimento continuo di ATP. La quantità di ATP presente nel muscolo è sufficiente per otto contrazioni circa. Come fonte di energia di riserva, il muscolo contiene fosfocreatina, una molecola i cui legami fosfato ad alta energia vengono generati a partire da creatina e ATP quando i muscoli sono a riposo Fosfocreatina

59 Canali del Ca 2+ nella membrana sarcoplasmatica (per rimuovere Ca 2+ dal citosol).

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61 Debito di O 2 Durante il lavoro muscolare, i vasi sanguigni che irrorano il muscolo si dilatano aumentando l apporto di ossigeno. In una prima fase, l energia è fornita da processi aerobici ed il consumo di O 2 è proporzionale al lavoro svolto. Se il lavoro da compiere è molto grande, la sintesi aerobica delle riserve energetiche non è più sufficiente e l energia è fornita da processi anaerobici. Al termine dello sforzo, è necessario utilizzare una quantità di O 2 supplementare per rimuovere l eccesso di acido lattico e ripristinare i depositi di ATP e fosfocreatina. L extraconsumo di O 2 è tanto maggiore quanto più lungo è stato il ricorso a processi anaerobici.

62 Produzione di calore nei muscoli W, lavoro meccanico Energia fornita = Energia liberata Sintesi ATP e PC Q, calore Rendimento = W/Energia fornita 0 Rendimento 50% Contrazione isometrica Contrazione isotonica

63 La forza della contrazione aumenta con la sommazione delle scosse muscolari. Una fibra muscolare risponde ad uno stimolo ( ) con una scossa. Se gli stimoli sono separati nel tempo, il muscolo si rilassa completamente tra le scosse. La durata della scossa è inferiore al tempo intercorrente tra due stimolazioni successive e quindi le scosse sono identiche.

64 Quando gli stimoli sono ravvicinati nel tempo, la fibra muscolare non ha il tempo di rilassarsi e le contrazioni si sommano, generando una contrazione con una tensione maggiore. La tensione generata da un muscolo aumenta se si sommano più scosse singole ravvicinate

65 Se gli stimoli arrivano molto rapidamente, il muscolo raggiunge la sua massima tensione. Se il muscolo ha ancora la possibilità di rilassarsi tra gli stimoli, si realizza il tetano incompleto. La tossina tetanica inibisce il rilascio dei neurotrasmettitori inibitori. Il muscolo resta quindi contratto e non è più in grado di rilasciarsi.

66 Se il muscolo raggiunge una tensione costante, è nella condizione di tetano completo. Tetano completo E quindi possibile aumentare la tensione sviluppata da una singola fibra muscolare variando la frequenza dei potenziali d azione nella fibra, che sono scatenati dal rilascio di acetilcolina da parte dei motoneuroni.

67 CARATTERISTICHE DEI VARI TIPI DI FIBRE MUSCOLARI Ossidative lente muscolo rosso (I) Ossidative rapide muscolo rosso (IIa) Glicolitiche rapide muscolo bianco (IIb) Velocità molto lenta intermedia molto rapida contrazione Attività lenta rapida molto rapida ATPasica Diametro piccolo medio grande Durata molto lunga lunga breve contrazione Metabolismo ossidativo glicolitico/ossidativo glicolitico Colore rosso scuro rosso pallido

68 Fibre muscolari ossidative lente Fibre muscolari glicolitiche rapide La grande quantità di mioglobina, numerosi mitocondri(m) e un estesa rete di capillari sanguigni (cap) distinguono il muscolo ossiodativo a lenta contrazione (R) dal muscolo glicolitico a contrazione rapida (W).

69 Unità motoria: gruppo di fibre innervate da un solo motoneurone Unità motoria: è l unità fondamentale della contrazione nel muscolo scheletrico Fibre dello stesso tipo. La contrazione di un unità è un evento tutto o nulla. Il numero di fibre muscolari in un unità motoria è variabile. Nei muscoli che governano i movimenti fini, come quelli oculari o della mano, un unità motoria può contenere anche solo 3-5 fibre. Se l unità motoria viene attivata, solo poche fibre si contraggono e la risposta muscolare è piccola. Se vengono attivate altre unità, la risposta aumenta di poco perché si aggiungono solo poche fibre. Ciò consente graduazioni fini nei movimenti. Nei muscoli usati per movimenti grossolani, come stare in piedi o camminare, un singolo motoneurone può innervare centinaia di fibre muscolari.

70 Il muscolo può generare contrazioni graduate di varia forza e durata in quanto è composto da molte unità motorie di diversi tipi. Questa varietà gli permette di variare tipo di contrazione cambiando i tipi di unità motorie in attività e il numero di unità che rispondono in un certo tempo. Muscolo : insieme di unità motorie. La tensione sviluppata da un muscolo è in relazione al numero e al tipo di unità motorie reclutate.

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72 Principio della dimensione S (slow) Tipo I FR(fast resistent) Tipo IIa FR(fast fatigable) Tipo IIb Il reclutamento dell unità motoria è in relazione alla soglia di eccitabilità che ha il motoneurone che innerva quella classe di fibra.

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74 Muscolo liscio

75 Muscolo cardiaco scheletrico liscio

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77 MUSCOLO LISCIO La muscolatura liscia si trova nelle pareti degli organi cavi. La sua contrazione genera forza per spostare materiale attraverso il lume degli organi cavi o per modificare la conformazione dell organo. Il muscolo liscio si contrae e rilascia molto più lentamente rispetto al muscolo striato, ma può sostenere la contrazione per lunghi periodi di tempo. Questa facoltà consente alla parete degli organi di mantenere la tensione con un carico continuato. Es. vescica urinaria. Alcuni muscoli lisci sono tonicamente contratti e mantengono costantemente la tensione. Es. sfinteri.

78 Eterogeneità: muscolo liscio vascolare gastrointestinale urinario respiratorio riproduttivo oculare Anatomia: le fibre contrattili del muscolo liscio sono disposte in fasci intrecciati. Gli strati di muscolo liscio all interno di un organo sono disposti in varie direzioni. Controllo della contrazione: neurotrasmettitori, ormoni, segnali paracrini. Poiché diversi segnali possono raggiungere la fibra simultaneamente, questa agisce come centro di integrazione dei segnali. Variabilità delle proprietà elettriche: la contrazione può avvenire in seguito ad un potenziale d azione, oppure dopo un potenziale elettrotonico sotto-soglia o anche in assenza di variazioni del potenziale di membrana. Accoppiamento eccitazione-contrazione: ingresso di Ca 2+ attraverso canali controllati dalla depolarizzazione, stiramento e segnali chimici. Rilascio dal reticolo sarcoplasmatico mediato da recettori accoppiati all IP 3.

79 Le fibre muscolari liscie sono piccole e a forma di fuso. Le fibre contrattili non sono disposte in sarcomeri organizzati, quindi i muscoli lisci non hanno un aspetto a bande. Actina e miosina sono disposte in lunghi fasci che si estendono in diagonale alla periferia cellulare, tenuti insieme da corpi densi di natura proteica, formando una struttura a rete intorno al nucleo centrale. Il rapporto actina/miosina è 10-12:1 contro 2-4:1 nel muscolo scheletrico.

80 La linea continua di teste di miosina consente ai filamenti di actina di scorrere lungo la miosina senza interruzione (assenza di zona nuda), mantenendo una tensione continua grazie all interazione dei ponti trasversali La disposizione obliqua delle fibre fa sì che la cellula diventi tondeggiante quando si contrae.

81 La funzione di deposito di calcio da parte del reticolo sarcoplasmatico è integrata da caveole, piccole vescicole vicine alla membrana cellulare che contengono canali a cancello

82 Meccanismo eccitazione-contrazione Il Ca ++ entra nelle fibre muscolari lisce attraverso: canali voltaggio-dipendenti attivati dalla depolarizzazione canali attivati meccanicamente canali a controllo di neurotrasmettitore Il Ca ++ viene anche rilasciato dal R.S. Il Ca ++ si lega alla calmodulina Il complesso Ca-calmodulina si lega alla chinasi della catena leggera della miosina attivandola La chinasi attivata fosforila la miosina ripristinandone l attività ATPasica.

83 Gli eventi molecolari della contrazione nel muscolo liscio sono simili a quelli del muscolo scheletrico con alcune differenze: -Sia nel m. liscio che in quello scheletrico, il segnale di inizio della contrazione è un aumento del calcio citoplasmatico -Nel m. liscio il calcio entra da liquido extracellulare oltre a venire rilasciato dal reticolo sarcoplasmatico -Nel m. liscio il calcio si lega alla calmodulina. Nel m. scheletrico si lega alla troponina che manca nel m. liscio -Nel m. liscio il calcio, che si lega alla calmodulina, è solo il primo passo della cascata che termina con la contrazione. Nel m. scheletrico il calcio che si lega alla troponina avvia immediatamente la contrazione -Nel m. liscio la fosforilazione delle proteine è caratteristica essenziale del processo contrattile - Nel m. liscio la regolazione della miosina è il principale controllo della contrazione. Nel m. scheletrico è l actina a essere regolata.

84 Il Ca ++ viene rimosso dal citoplasma usando una proteina di antiporto Ca ++ -Na + ed una Ca ++ -ATPasi La calmodulina rilascia il calcio e si stacca dalla chinasi delle catene leggere. La miosina fosfatasi rimuove il fosfato dalla miosina diminuendone l attività ATPasica

85 La miosina ha una attività ATPasica più lenta quindi la fase contrattile è più lunga (fenomeno del blocco dei ponti trasversali)

86 MUSCOLO LISCIO UNITARIO L onda di depolarizzazione diffonde nel tessuto attraverso le giunzioni che collegano le cellule.

87 MUSCOLO LISCIO MULTI-UNITARIO Nell iride e nel corpo ciliare dell occhio, nel tratto genitale maschile e nell utero tranne che prima del travaglio e del parto. Cellule non connesse elettricamente. Ogni cellula deve essere stimolata indipendentemente. Ciò consente un controllo fine e contrazioni graduate, visto che rende possibile l attivazione selettiva di singole fibre.