Metabolismo Energetico del Muscolo

Транскрипт

1 Metabolismo Energetico del Muscolo Un muscolo per potersi contrarre e rilassare deve avere a disposizione energia sotto forma di ATP. L ATP serve per poter svolgere tre principali funzioni: L ATP è necessario per rompere il legame tra actina e miosina. L energia liberata dall idrolisi dell ATP permette il movimento dei ponti trasversali. L energia liberata dall idrolisi dell ATP viene utilizzata del reticolo sarcoplasmatico per l uptake del Ca 2+

2 Le Fonti di ATP La disponibilità di ATP nel muscolo È ampiamente insufficiente per poter effettuare il lavoro meccanico che di norma I nostri muscoli compiono durante una giornata. L ATP immagazzinato servirebbe solo per qualche contrazione. Esistono così tre fonti capaci di fornire ATP alle fibre muscolari: VIA DELLA FOSFOCREATINA La fosfocreatina (PCr) costituisce il modo più rapido per una cellula muscolare di sintetizzare ATP ADP+PCr ATP+Cr VIA AEROBIA Glicolisi Aerobia Glucosio CO 2 +H 2 O+ 38ATP β-ossidazione degli acidi grassi VIA DELLA GLICOLISI ANAEROBIA Glucosio 2 acido lattico + 2 ATP Questa via è attiva nel caso in cui l apporto di ossigeno sia insufficiente per la glicolisi aerobia

3 La Via Aerobia GLICOLISI OSSIDAZIONE degli AC. GRASSI ACETIL-CoA CICLO DI KREBS ACIDO PIRUVICO CATENA RESPIRATORIA MITOCONDRIALE ATP

4 La Glicolisi Anaerobia Perché la glicolisi possa continuare il NADH deve esser riossidato a NAD +. In assenza di ossigeno il NADH viene utilizzato per ridurre l acido piruvico ad acido lattico dalla Lattato Deidrogenasi; grazie a questa reazione il NADH viene ossidato a NAD + e H + NADH + H + NAD + Acido Piruvico Lattato Deidrogenasi Acido Lattico

5 Deposito Di Energia La maggior parte delle riserve energetiche (75%) sono trigliceridi del tessuto adiposo, che rappresenta il 10-30% del peso corporeo; derivano dalla dieta o sono sintetizzati da acetil-coa derivante da glucosio. Solo l 1% è rappresentato da glicogeno (¼ nel fegato e ¾ nei muscoli), ma è fondamentale per l apporto al sistema nervoso e durante intensa attività muscolare. ADIPOCITI GLICOGENO

6 Trasferimento tra Organi L energia contenuta negli ac. grassi liberi può essere trasformata in energia contenuta nel glucosio, come il lattato prodotto nei muscoli può essere utilizzato dal fegato per produrre glucosio. FEGATO CO 2 ATP Piruvato Lattato AGL H + Glucosio (CICLO DI CORI) AGL Trigliceridi Glucosio Lattato Lattato CO 2 Glucosio ATP Lavoro contrattile Glicogeno In condizioni di anaerobiosi il piruvato viene convertito in lattato e alanina trasportati al fegato; TESSUTO il gruppo ADIPOSO amminico, che rappresenta la porzione MUSCOLO tossica degli aminoacidi, può entrare nel ciclo dell urea ed essere eliminato con le urine.

7 Fonti Energetiche Durante l Esercizio Fisico

8 La Fatica Muscolare Fatica è un termine che viene usato per descrivere una condizione in cui il muscolo non è più in grado di generare o mantenere la potenza attesa. La fatica viene detta fatica centrale quando è imputabile a meccanismi che si originano nel sistema nervoso centrale e comprende sintomi di stanchezza e desiderio di interrompere l attività fisica. Questo tipo di fatica precede la fatica periferica o muscolare ed è probabilmente un meccanismo di difesa dell organismo indotto forse dall acido lattico. Diversi fattori giocano un ruolo nella fatica: 1 - alterazioni nella composizione ionica della fibra dovuta alle numerose contrazioni 2 - mancanza di ATP 3 - mancanza di nutrienti muscolari (es. mancanza di glicogeno) 4 - diminuita produzione di neurotrasmettitore 5 - mancanza di accoppiamento eccitazione-contrazione 6 alterazione nella distribuzione di Na + e di K + 7 acculmulo di ioni H + nell ambiente extracellulare (abbassamento del ph) 8 produzione di acido lattico

9 La Fatica Muscolare Quando c è sovrapproduzione di ac. lattico, il ph tissutale si abbassa L ac. lattico deve essere rimosso dalle fibre muscolari tramite la sua conversione in CO 2 e H 2 O, un processo che richiede O 2. Il muscolo si trova in carenza di O 2 in seguito ad uno sforzo prolungato od elevato e diventa necessario fare respiri rapidi e profondi per rifornire di O 2 le fibre muscolari affaticate. Debito di O 2 - un quantitativo di O 2 extra è necessario per metabolizzare l ac. lattico accumulato e riportare l ATP ai livelli normali Non modifica gli impulsi nervosi, le giunzioni neuromuscolari o la stimolazione di fibre muscolari. Le contrazioni diventano sempre più deboli fino a che i muscoli cessano di contrarsi a causa di insufficiente ATP accumulo di prodotti tossici (CO 2 e ac. lattico) disturbi del sistema circolatorio che alterano il rifornimento di nutrienti e la rimozione di scorie il muscolo non si contrae, ma neppure si rilascia. La fatica può essere confusa con un crampo muscolare. Se si continua ad usarlo, convertirà le proteine presenti nelle fibre in energia.

10 La Fatica Muscolare

11 Classificazione delle Fibre Muscolari Le fibre muscolari possono essere classificate in funzione della: Tipo di unità motoria Unità di tipo FIBRE S (slow) OSSIDATIVE A CONTRAZIONE LENTA Unità (TIPO di I) tipo FF (fast fatigable) Tempo di 1. Velocità contrazionedi contrazione sviluppata 2. Capacità di generare ATP Lento (>50ms) FIBRE OSSIDATIVE A CONTRAZIONE RAPIDA (TIPO IIa) Molto rapido Forza Piccola Grande Resistenza alla fatica Resistenti alla fatica FIBRE GLICOLITICHE A CONTRAZIONE RAPIDA (TIPO IIb) Poco resistenti alla fatica Le fibre muscolari a contrazione rapida sviluppano tensione due o tre volte più velocemente delle fibre a contrazione lenta. La differenza in velocità è dovuta a diverse isoforme della miosina che possiedono diverse velocità ATPasiche. Unità di tipo FR Relativamente Grande Resistenti alla Le fibre rapide utilizzano rapido principalmente la glicolisi anaerobica, fatica mentre (fast resistent) le fibre lente utilizzano il ciclo dell acido citrico.

12 Fibre Rosse e Fibre Bianche Questa classificazione è dovuta alla presenza o meno di mioglobina, una proteina che lega con alta affinità l ossigeno aumentando quindi la velocità di trasporto all interno della fibra. Le fibre rosse hanno generalmente anche un diametro più piccolo.

13 Velocità di contrazione Attività ATP-asica della miosina Fonte primaria di ATP Ossidative Lente Ossidative Veloci Glicolitiche Veloci Lenta Rapida Rapida Bassa Alta Alta Fosforilazione ossidativa Fosforilazione ossidativa Glicolisi anaerobia Attività glicolitica Bassa Intermedia Alta Numero di mitocondri Molti Molti Pochi Capillari Molti Molti Pochi Contenuto di mioglobina Alto Alto Basso Colore de muscolo Rosso Rosso-rosa Bianco Contenuto di glicogeno Diametro della fibra Comparsa della fatica Basso Intermedio Alto Piccolo Intermedio Grande Lenta Intermedia Rapida

14

15 Distribuzione delle fibre (msec ) Le proporzioni relative dei tipi di fibre (in tutto il corpo) variano a seconda del tipo di lavoro che una persona svolge con i propri muscoli. L allenamento atletico, ad esempio, può modificare la proporzione dei diversi tipi di fibre del tessuto muscolare.

16 Accoppiamento Nel muscolo scheletrico l accoppiamento è MECCANICO a differenza del cardiaco e del liscio dove è chimico

17 Effetti dell invecchiamento sul muscolo A partire dai 40 anni i muscoli cominciano ad indebolirsi e diventano più piccoli e disidratati, infatti il diametro delle fibre muscolari diminuisce. La forza generata da un muscolo decresce del 30-40% tra i 40 e gli 80 anni. Ad 80 anni circa la metà della massa muscolare è stata persa. Compare tessuto fibroso ed i muscoli cominciano ad infiltrarsi di grasso. Sono comuni riflessi muscolari lenti e crampi notturni, specialmente tra le donne.

18 Lesioni o Danni muscolari Contrattura: alterazione del tono muscolare di tutto o parte del muscolo Stiramento: alterazione del tono muscolare localizzata

19 Lesioni o Danni muscolari Strappo di 1, 2 o 3 grado): lesione con rottura di fibre in numero crescente a seconda del grado

20 L immagine mostra la posizione di una cellula satellite (testa di freccia e asterisco) in rapporto ai mionuclei (freccia) su una fibra muscolare isolata. La membrana plasmatica è indicata con il rombo. Cosa succede ad un muscolo danneggiato? La guarigione coinvolge sempre proliferazione di fibroblasti e sintesi di nuova matrice di tessuto connettivo. MUSCOLO SCHELETRICO - le cellule satelliti normalmente quiescenti, presenti sotto l endomisio, cominciano a dividersi e differenziarsi in mioblasti che alla fine fondono per formare nuove fibre muscolari. MUSCOLO LISCIO - comincia la proliferazione ed il differenziamento di cellule muscolari lisce primitive in nuove fibre muscolari. Lo stesso processo avviene durante la gravidanza in cui nuovo tessuto muscolare viene aggiunto per aumentare l utero.

21 Le cellule satelliti del muscolo Il muscolo scheletrico è un esempio di un tessuto adulto che può generare cellule completamente differenziate, atte a svolgere una funzione tessuto-specifica. V. Renault et al. Exp. Gerontol : Questa capacità è attribuita alle cellule satelliti, una popolazione di cellule staminali quiescenti ed indifferenziate che iniziano a dividersi, fondere e differenziare in risposta alla comparsa di segnali specifici.

22 Il Muscolo Liscio Si definisce così perché non è presente la bandeggiatura tipica del muscolo striato scheletrico MUSCOLO LISCIO MUSCOLO STRIATO

23 Il Muscolo Liscio E costituito da fibre fusiformi di piccole dimensioni Le cellule sono mononucleate con il nucleo in posizione centrale e sono in grado di proliferare Le fibre si organizzano in fasci o lamine che avvolgono le cavità viscerali del corpo, i vasi sanguigni Il muscolo liscio di ogni organo si distingue da quello di altri organi MUSCOLI LISCI UNITARI MUSCOLI LISCI MULTIUNITARI

24 Tipi di Muscolo Liscio Muscolo liscio unitario Composto da fibre che si contraggono tutte simultaneamente. Le fibre sono aggregate a formare fasci o lamine e le loro membrane sono aderenti le une alle altre. Le membrane cellulari sono anche unite da gap junctions. Parete dei visceri del corpo (muscolo liscio viscerale) Vasi sanguigni Muscolo liscio multiunitario Composto da fibre ben distinte che agiscono in maniera indipendente. Sono di solito innervate da una singola terminazione nervosa del sistema nervoso autonomo. Fibre muscolari lisce del muscolo ciliare dell occhio Muscoli dell iride Muscoli erettori del pelo

25 Tipi di Muscolo Liscio I muscoli lisci in base all attività contrattile possono essere distinti in: fasici, alternano periodi di contrazione a periodi di rilasciamento (di solito unitari) tonici in stato di contrazione più o meno permanente (di solito multiunitari)

26 Alcuni tipi di muscolo liscio presentano cicli spontanei di depolarizzazioniiperpolarizzazioni (onde lente). Se la fase di depolarizzazione dell onda lenta raggiunge la soglia apertura canali Ca 2+ voltaggiodipendenti pda contrazione Alcuni tipi di muscolo liscio presentano una depolarizzazione spontanea regolare, detta potenziale pacemaker, che raggiunge sempre la soglia per la nascita del pda, a cui segue la contrazione. Queste cellule muscolari sono dette cellule pacemaker.

27 Controllo della contrazione Contrazione attivata dal pda (multiunitari) Contrazione attivata da onde lente che portano a pda Contrazione attivata da onde lente senza pda (unitari) Contrazione attivata da neurotrasmettitori o farmaci (unitari) C) La tensione si può sviluppare in seguito a variazioni lente del potenziale di membrana, anche in assenza di pda, con aumento di forza durante le depolarizzazioni e diminuzione durante le iperpolarizzazioni (viscerali unitari).

28 Ultrastruttura del Muscolo Liscio Il sarcoplasma è occupato da miofilamenti disposti lungo l asse maggiore della fibra, che non si organizzano in miofibrille con successione di bande trasversali; i miofilamenti si agganciano a dei corpi densi nel sarcoplasma, con funzione simile a quella delle linee Z delle fibre striate. Le cellule muscolari lisce contengono anche filamenti intermedi a ruolo strutturale, composti principalmente da desmina (vimentina nel muscolo liscio vascolare), che decorrono in fasci tra i filamenti di actina e di miosina e si associano con i corpi densi citoplasmatici.

29 Scorrimento dei Filamenti nel Muscolo Liscio Il rapporto actina/miosina è di 10-12:1 I filamenti di actina e di miosina del muscolo liscio sono più lunghi di quelli dei muscoli scheletrico e cardiaco. I filamenti di miosina possiedono teste su tutta la loro lunghezza. Nel muscolo liscio la miosina può scorrere sui filamenti di actina per un spazio più lungo perché manca la limitazione dovuta alla lunghezza del sarcomero. Di conseguenza i muscoli lisci possono accorciarsi di più di quelli scheletrici.

30 Ultrastruttura del Muscolo Liscio Giunzioni di ancoraggio collegano i citoscheletri di cellule adiacenti tramite proteine transmembrana. Appartengono a questo gruppo le giunzioni aderenti, che collegano la rete di filamenti di actina tra cellule vicine; i desmosomi che collegano le reti di filamenti intermedi di cellule adiacenti (caratteristiche dell epidermide) Giunzioni comunicanti o gap junction permettono il movimento di piccole molecole attraverso canali. GIUNZIONE ADERENTE DESMOSOMA GAP JUNCTION

31 Ultrastruttura del Muscolo Liscio Il Reticolo Sarcoplasmatico è scarsamente sviluppato a forma di rete o guaina fenestrata e i tubuli T sono assenti. Al di sotto del sarcolemma (a cui il RS è accoppiato chimicamente e non meccanicamente) sono presenti piccole invaginazioni contenenti Ca 2+ dette caveole.

32 Regolazione della Contrazione del Muscolo Liscio È innervato dal SNA, anche se alcuni muscoli lisci non ricevono innervazione. Non è organizzato in unità motrici ed è controllato da una varietà di input che ne determinano la contrazione ed il tono: 1. stiramento delle fibre muscolari 2. attività elettrica spontanea nel sarcolemma (potenziale pacemaker) 3. ormoni e modulatori ormonali 4. rilascio di neurotrasmettitori da parte del SNA 5. cambiamenti indotti localmente nel fluido extracellulare che circonda la cellula muscolare liscia, come livelli di ph, O 2 o CO 2

33 Canali e Recettori di Membrana

34 Meccanismi Molecolari della Contrazione 1. [Ca 2+ ] nel citoplasma 2. Ca 2+ si lega alla calmodulina (CaM) 3. Ca 2+ + CaM si lega alla miosina chinasi (MLCK) attivandolo 4. La miosina chinasi fosforila una delle catene leggere della miosina (catena regolatrice) 5. [Ca 2+ ] nel citoplasma 6. La catena regolatrice viene defosforilata dalla miosina fosfatasi (MLCP) a sua volta controllata dal sistema Rhochinasi

35 Contrazione liscia Il sistema contrattile della muscolatura liscia viene attivato quando la catena leggera della miosina (MLC) viene fosforilata e può così staccarsi dai filamenti di actina. Questa fosforilazione viene catalizzata da una chinasi, la chinasi della miosina a catena leggera (MLCK), che viene attivata quando si lega alla Ca 2+ - calmodulina. Un secondo enzima, la miosina fosfatasi, defosforila e promuove il rilasciamento. Entrambi gli enzimi sono regolati da nucleotidi ciclici (camp e cgmp), e molti farmaci che causano la contrazione o il rilasciamento della muscolatura liscia agiscono in questo modo mediante attivazione di recettori accoppiati a proteine G o alle guanilato ciclasi.

36 Il Ruolo del Ca 2+ Il Ca 2+ svolge un ruolo molto importante nella generazione della contrazione nella cellula muscolare liscia. Ci sono molti più canali del Ca 2+ voltaggio-dipendenti nel muscolo liscio rispetto al muscolo scheletrico La riduzione della [Ca 2+ ] con dissociazione del complesso Ca- CaM-MLCK riduce l attività di MLCK e la miosina verrà defosforilata da MLCP con rilasciamento muscolare La defosforilazione della miosina non sempre provoca un immediato rilasciamento: nel muscolo liscio vascolare la miosina defosforilata può rimanere attaccata all actina, in quanto la defosforilazione rallenta la velocità di distacco dei cross-bridge, utilizzando 1/1000 dell energia richesta dal muscolo scheletrico

37 Muscolo Liscio: Velocità e Durata della Contrazione La velocità di contrazione nel muscolo liscio è molto più bassa che non nei muscoli scheletrico e cardiaco. A differenza di questi ultimi però la contrazione può essere sostenuta per tempi molto più lunghi. La tensione muscolare mantenuta costantemente dal muscolo liscio ad un livello misurabile viene detta tono. Muscoli tonicamente contratti sono gli sfinteri.

38 Contrazione fasica e tonica Contrazione fasica: alta velocità di contrazione e rigenerazione di PdA, prodotta da brevi stimoli con aumento transitorio di Ca 2+ e piccola contrazione (parte di intestino, antrum gastrico, vena cava) Contrazione tonica: non presenta PdA o rigenerazione dell attività elettrica, bassa velocità di accorciamento, attivazione mantenuta per tempi lunghi con picco iniziale di Ca 2+ breve che rimane comunque sopra al valore basale. Contrazione rapida che permane a lungo vicino al massimo (fondo stomaco, pareti vascolari, trachea)

39 Controllo della contrazione Oltre al principale meccanismo di controllo tramite regolazione della miosina, la contrazione può essere controllata da meccanismi legati al filamento di actina. Proteine regolatrici dell actina, caldesmone e calponina possono inibire l attivazione della funzione ATPasica della testa della miosina L inibizione può essere eliminata dal legame Ca-CaM o da fosforilazione

40 Actina-caldesmone Il tono viene regolato dal grado di depolarizzazione con una regolazione a livello della miosina II o dell actina. La modulazione della [Ca 2+ ] i avviene tramite canali ligando- o voltaggiooperati e store IP 3

41 Controllo Nervoso della Contrazione I neuroni del SNA che innervano i muscoli lisci non formano con questi giunzioni neuromuscolari. Sono presenti delle varicosità diffuse su tutto il terminale assonico. NEUROTRASMETTITORI Acetilcolina rec. Muscarinico Noradrenalina rec. Adrenergico

42 Giunzione neuroeffettrice I neurotrasmettitori vengono rilasciati da numerosi rigonfiamenti, varicosità, localizzati a intervalli più o meno costanti lungo i cilindrassi degli assoni.

43 Controllo Ormonale della Contrazione ORMONI: Adrenalina i/e Effetto inibitorio o eccitatorio Noradrenalina i/e Acetilcolina i Angiotensina e Vasopressina e Ossitocina e Serotonina e Istamina i