Adattamenti Muscolari Carlo Capelli, Facoltà di Scienze Motorie, Università degli Studi di Verona 05/05/14 Fisiologia dello Sport 1
Obiettivi Eterogeneità funzionale del muscolo Tipi e caratteristiche fisiologiche, biochimiche e morfologiche delle UM del MSS Reclutamento delle UM e regolazione della forza muscolare in vivo Isoforme delle catene pesanti della miosina e carattersitiche cotrattili e funzionli delle fibre Adattamenti funzionali e transizioni delle isoforme Architettura muscolare ed eterogeneità funzionale 05/05/14 Fisiologia dello Sport 2
Eterogeneità funzionale del muscolo scheletrico L eterogeneità funzionale permette ai muscoli di svolgere attività motorie molto diverse Questa eterogeneità si basa su due meccanismi Meccanismo nervoso: regola la potenza sviluppata dal muscolo attraverso la modulazione del tipo, del numero e della frequenza di scarica delle UM 1. Reclutamento progressivo delle UM secondo il principio delle dimensioni (Meccanismo estensivo) 05/05/14 Fisiologia dello Sport 3
Controllo della forza muscolare e attività dei MN 2. Reclutamento di UM e aumento della frequenza di scarica (meccanismo intensivo) Attività elettrica di 5 motoneuroni A e B: risposte dei motoneuroni a diversi gradi di stiramento muscolare
Eterogeneità funzionale del muscolo scheletrico Meccanismo muscolare quantitativo e qualitativo Qualitativo: fondato sull esistenza di tipi di fibre muscolare con proprietà funzionali differenti Quantitativo: modificazione delle dimensioni delle fibre: ipertrofia e ipotrofia Il meccanismo muscolare si realizza per mezzo di una modificazione della sintesi proteica E un meccanismo tonico a medio-lungo termine responsabile della plasticità muscolare 05/05/14 Fisiologia dello Sport 5
Le fibre muscolari scheletriche Le fibre muscolari sono funzionalmente molto diverse Le caratteristiche contrattili, biochimiche e di resistenza alla fatica variano da tre a dieci volte nei vari tipi di fibra Distribuzione della massima velocità di accorciamento in una popolazione di fibre muscolari umane 05/05/14 Fisiologia dello Sport 6
Le basi dell eterogeneità: isoforme della miosina Si è scoperto che esistono diverse isoforme di miosina (e delle altre proteine miofibrillari) Due Myosin Heavy Chain, MHC. Sono il motore della contrazione Quattro myosin light chain, MLC, due regolatorie e due essenziali Isoforme e modalità di espressione di miosina nei muscoli striati umani; geni che codificano la miosina e il locus Isoforma Modalità di espressione Gene Locus MHCI Fibre lente MYH7 14q11.2-q13 MHC-IIA Fibre veloci MYH6 14q11.2-q13 MHC-IIX Fibre veloci MYHAS 8 IIA 17p13.1 05/05/14 Fisiologia dello Sport 7
Tipi cellulari e isoforme della miosina Le fibre muscolari dei muscoli appendicolari nell uomo sono ormai classificate in tre tipi di fibre principali sulla base del contenuti in isoforme del MHC Fibre Tipo I (lente) Fibre Tipo IIA (veloci) Fibre di tipo IIX (veloci) A fronte del numero teorico e grandissimo delle possibili combinazioni delle isoforme delle varie proteine muscolari, si attua un associazione preferenziale tra certe isoforme di MHC e altre isoforme di MLC, troponina, tropomiosina con il relativo corredo enzimatico specifico 05/05/14 Fisiologia dello Sport 8
Tipi cellulari e isoforme della miosina Isoforme delle proteine miofribrilari e distribuzione degli enzimi metabolici nei diversi tipi di fibre di muscolo umano Proteine Fibre Tipo I Fibre Tipo IIA Fibre di Tipo IIX MHC I IIA IIX MLC MLC-1s, MLC-2s MLC-1f, MLC-2f,MLC-3f MLC-1f, MLC-2f,MLC-3f Tropomiosina TM-β, TM-α-slow TM-β, TM-α-fast TM-β, TM-α-fast Troponine TnC-slow, TNI-slow, TnT-slow TnC-fast, TNI-fast, TnT-fast Enzimi Aerobici Aerobici e Anaerobici TnC-fast, TNI-fast, TnT-fast Anaerobic Fibre ibride MHCI-IIA e MHCIIA e IIX: fibre in fase di trasformazione Vita embrionale e neonatale: MHC-embrionale o neonatale Muscolo massetere: MHC-M; muscoli oculari: MHC-eox 05/05/14 Fisiologia dello Sport 9
Caratteristiche dei tipi cellulari La grande variabilità funzionale delle fibre scheletriche dipende principalmente dal loro contenuto in isoforma delle MHC Curva forza velocità Potenza 05/05/14 Fisiologia dello Sport 10
Caratteristiche dei tipi cellulari Consumo di ATP in contrazioni isometriche (costo della contrazione) Massima forza isometrica specifica 05/05/14 Fisiologia dello Sport 11
Caratteristiche dei tipi cellulari I tipi cellulari accoppiano in modo efficace le caratteristiche dell attività contrattile con quelle del metabolismo energetico (enzimi) Le differenze tra i vari tipi cellulari sono solitamente molto grandi (10 x) Solo la massima forza specifica e il rendimento termodinamico non variano molto (1.5 x 3.0 x) Rapporto tra attività della malato deidrogenasi (enz. aerobico) e lattato deidrogenasi (enz. anaerobico) nelle fibre 05/05/14 Fisiologia dello Sport 12
Eterogeneità e plasticità muscolarimeccanismo qualitativo L esistenza di tipi cellulari con caratteristiche funzionali molto diverse determina l eterogeneità funzionale dei muscoli dell uomo I nostro muscoli sono muscoli misti: contengono fibre di tipo I, IIA e IIX in proporzioni diverse La diversa distribuzione si correla con le loro funzioni. Soleo: antigravitario con prevalenza fibre Tipo I Tricipite non ha ruolo posturale La possibilità di generare muscoli con distribuzioni di fibre differenti si basa sulla repressione della trascrizione di alcune isoforme e la de-repressione della trascrizione di altre isoforme senza necessariamente una variazione della quantità totale di proteine sintetizzate 05/05/14 Fisiologia dello Sport 13
Eterogeneità e plasticità muscolarimeccanismo quantitativo Aumento o diminuzione della sezione trasversa (CSA) delle fibre muscolari con modificazione della massa muscolare Ipertrofia e non iperplasia Nei muscoli dell uomo e dei mammiferi superiori non si è mai provata l iperplasia 05/05/14 Fisiologia dello Sport 14
Elementi contrattili in in parallelo L L/2 IN PARALLELO L tot = L i Ft ot = F 1 + F 2 (quindi F va normalizzata dividendola per la superficie di sezione)
Elementi contrattili in serie L/2 IN SERIE L tot = L 1 + L 2 F tot = F 1 = F 2 L/ t = L 1 / t + L 2 / t L
Modificazioni funzionali e strutturali: allenamento e immobilità Allenamento e volume muscolare Allenamento della porta a una significativa ipertrofia muscolare con aumento della forza isometrica e della velocità di accorciamento Quindi, un muscolo ipertrofico è anche più potente. L allenamento aerobico sembra non indurre una sostanziale ipertrofia Un muscolo ipertrofico con aumentata massima forza isometrica (P 0 ) si accorcia più velocemente contro carichi sottomassimali E, quindi, più potente 05/05/14 Fisiologia dello Sport 17
Isoforme della miosina e transizioni MHCIβ MHCIIa MHCIId (IIx) MHCIIb 1. L attività neuromuscolare (attività motoneuroni alfa) è importante per stabilire la specificità di una fibra Reinnervazione crociata CLFS (chronic low-frequency stimulation): mima la stimolazione di bassa frequenza che normalmente insiste sulle UM S; induce trasformazione da fibre veloci a fibre lente e impedisce la trasformazione da lente a veloci in muscoli denervati Stimolazione fasica ad alta frequenza induce la trasformazione da fibre lente a veloci in muscoli prevalentemente formati da fibre lente (soleo) 05/05/14 Fisiologia dello Sport 18
Isoforme della miosina e transizioni 2. Ormoni Ormone tiroideo Ipotiroidismo: da veloci a lente Ipertiroidismo: da lente a veloci Testosterone 3. Carico meccanico Loading e stretching: da veloci a lente Unloading: da lente a veloci in muscoli lenti ; meno chiaro il comportamento su muscoli veloci (meno affetti da unloading) 05/05/14 Fisiologia dello Sport 19
Modificazioni funzionali e strutturali: allenamento e immobilità Allenamento e metabolismo cellulare Aumento dell attività degli enzimi aerobici e degli enzimi del metabolismo lipidico nelle fibre di Tipo I Aumento della densità dei trasportatori di membrana del lattato MCT 1 e MCT4 Non è mai stato documentato che l allenamento della forza induca i fenomeno contrario L allenamento della forza sembra avere scarsi effetti sul metabolismo cellulare 05/05/14 Fisiologia dello Sport 20
Allenamento aerobico e ipertrofia. 12 settimane di allenamento aerobico (42 sessioni in totale di 20-45 ciascuna; 60-80 % V O 2max ) su un gruppo di giovani e anziani sani Aumento della CSA delle fibre di Tipo I Aumento della potenza di MHCI e di MHCIIA (solo in anziani) Harber et al, 2012 05/05/14 Fisiologia dello Sport 21
Allenamento aerobico e ipertrofia. La sintesi proteica muscolare aumenta nei giovani ed anziani Conduce ad incrementi simili di massa muscolare Konopka et al, 2014 05/05/14 Fisiologia dello Sport 22
Allenamento aerobico HIT e ipertrofia. 8 settimane di HIT (allenamento aerobico intervallato ad alta intensità) su 12 volontari anziani sani Quadriceps Cross Sectional Area (CSA) at 50%VL PRE POST Δ% p CSA (cm 2 ) 60.3±10.6 62.9±10.5 +4,4 < 0,005 ES=0,1 05/05/14 Fisiologia dello Sport 23
Allenamento aerobico HIT e ipertrofia. Quadriceps Volume PRE POST Δ% p QV (cm 3 ) 817±198 859±200 +5,4 < 0,0031 ES=0.21 05/05/14 Fisiologia dello Sport 24
Allenamento aerobico HIT e ipertrofia. Gli anziani sembrano essere più sensibili ad uno stimolo cronico anabolico Konopka et al, 2014 05/05/14 Fisiologia dello Sport 25
Allenamento aerobico e ipertrofia. Meccanismi di azione Il catabolismo proteico è ridotto La sintesi proteica è aumentata La biogenesi mitocondriale è incrementata Konopka et al, 2014 05/05/14 Fisiologia dello Sport 26
Modificazioni funzionali e strutturali: allenamento e immobilità Allenamento e effetti sulla distribuzione cellulare Gli esperimenti di innervazione crociata dimostrano la possibilità di convertire un tipo cellulare in un altro Anche gli studi trasversali lo confermerebbero I muscoli dei maratoneti hanno percentuali maggiori di fibre di Tipo I e minori di fibre IIA/IIX E vero il contrario per i velocisti 05/05/14 Fisiologia dello Sport 27
Modificazioni funzionali e strutturali: allenamento e immobilità Allenamento e effetti sulla distribuzione dei tipi cellulari Gli studi longitudinali non hanno confermato chiaramente la possibilità che le percentuali di fibre possano cambiare rapidamente (8-12 settimane) Allenamento aerobico, muscolo vasto laterale Diminuzione IIX e aumento IIA Scarso-nullo effetto su tipo I 05/05/14 Fisiologia dello Sport 28
Modificazioni funzionali e strutturali: allenamento e ipossia Allenamento associato ad ipossia Aumento della percentuale delle isoforme MHC tipo I dopo 8 settimane di ipossia cronica (alta quota > 4500 m asl) Doria et al, 2011 05/05/14 Fisiologia dello Sport 29
Modificazioni funzionali e strutturali: allenamento e immobilità Immobilità e effetti sul volume muscolare Ipotrofia con riduzione della massima forza isometrica e della potenza Immobilità e effetti sulla distribuzione dei tipi cellulari Il disuso determina uno spostamento verso il fenotipo veloce: aumento IIA e IIX e riduzione della percentuale di Tipo I Nella vita embrionale e neonatale esprimiamo MHC embrionali e neonatali Dopo la nascita, il prevalere di un tipo o di un altro dipende dalla stimolazione neurale Solo la stimolazione nervosa e l attività motoria permetterebbero la differenziazione verso le fibre di tipo I. 05/05/14 Fisiologia dello Sport 30
Architettura muscolare La forza e la velocità, e quindi la potenza, di un muscolo dipendono anche dall organizzazione delle fibre muscolari Muscoli fusiformi: le fibre muscolari sono orientate con il loro asse maggiore parallelo alla linea immaginaria che collega le inserzioni tendinee Muscoli pennati: l asse maggiore forma un angolo di pennazione con tale asse Sezione anatomica: area di sezione calcolata sezionando il muscolo nel punto più voluminoso, perpendicolare all asse che congiunge le inserzioni tendinee Sezione fisiologica: perpendicolare all asse maggiore delle fibre 05/05/14 Fisiologia dello Sport 31
Architettura muscolare In un muscolo fusiforme sezione anatomica e sezione fisiologica corrispondono In un muscolo pennato, la sezione fisiologica è più grande di quella anatomica Un muscolo pennato ha un maggiore numero di fibre in parallelo a parità di volume La forza sviluppata dal muscolo dipende dalla sua sezione fisiologica, somma di tutte le forze parziali delle fibre che lo compongono Sezione fisiologica Sezione anatomica Angolo di pennazione 05/05/14 Fisiologia dello Sport 32
Forza sviluppata e forza efficaceaccorciamento Forza efficace: forza che effettivamente agisce sui capi articolari E la porzione di forza sviluppata dagli elementi contrattili che si esercita nella direzione parallela all asse che congiunge i capi articolari E uguale al prodotto della forza sviluppata e il coseno dell angolo di pennazione Lc Lr Riposo Lr =10 α = 40 α = cos 40 = 7.7 α α A A Contratto Lc =9 α = 45 α = cos 45 = 6.4 α - α = Lm =7.7-6.4= 1.3 Se le fibre fossero parallele Lm = 10-9 =1 05/05/14 Fisiologia dello Sport 33
Forza sviluppata e forza efficace Quindi, la diminuzione della forza efficace è compensata da un accorciamento più elevato e dal maggior numero di fibre in parallelo E ovvio che se aumenta l angolo di pennazione, diminuisce la forza efficace; il contrario se l angolo diminuisce Ipertrofia: l angolo di pennazione aumenta, ma l aumento di dimensioni delle fibre controbilancia questo svantaggio Ipotrofia: l angolo diminuisce e controbilancia in parte la perdita di volume e di forza del muscolo 05/05/14 Fisiologia dello Sport 34
Bibliografia Fisiologia dell esercizio fisico: adattamenti muscolari, Capitolo 73, Volume secondo, a cura di R. Bottinelli, in Fisiologia Medica, II edizione, edi.ermes, F. Conti, ed., Milano Italia Konopka, A.R., Harber M.P. Skeletal muscle hypertrophy after aerobic exercise training. Exerc. Sport Sci. Rev. 42: 53-61, 2014. Pette D., Staron R. Myosin Isoforms, Muscle Fiber Types, and Transitions. Micr. Res. Techn. 50: 500-509, 2000 05/05/14 Fisiologia dello Sport 35