Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia Biofisica e Fisiologia I Contrazione muscolare 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 Scaricato da www.sunhope.it 1
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. Muscolo scheletrico Connettivo Fibre muscolari Vasi sanguigni Nervi Reticolo sarcoplasmatico Miofibrille Sarcolemma Tubuli T Nuclei Sarcoplasma Mitocondri Glicogeno Scaricato da www.sunhope.it 2
Fibra (cellula) muscolare Tubuli T Reticolo sarcoplasmatico Sarcolemma Mitocondri Nucleo Filamento spesso Filamento sottile Miofibrilla FILAMENTI SPESSI 2 catene pesanti (heavy chains) p.m. 200.000 Miosina: proteina oligomerica p.m. 450.000 2 coppie di catene leggere (light chains) non identiche p.m.16.000 e 20.000 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 Scaricato da www.sunhope.it 3
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 Snodo Testa Scaricato da www.sunhope.it 4
Actina G monomero di actina pm: 42.000 Tropomiosina: dimero a forma di bacchetta (pm = 70 000) Tropomiosina: dimero a forma di bacchetta (pm = 70.000). Le due subunità sono avvolte l una intorno all altra a formare un elica. Ogni molecola è lunga circa 40 nm. I dimeri di tropomiosina si dispongono in sequenza con disposizione testa-coda, formando un filamento elicoidale. Due filamenti elicoidali si estendono per l intera lunghezza del polimero actina F. Scaricato da www.sunhope.it 5
TnT Legame Tn-tropomiosina Troponina TnI Legame Actina-TnC TnC Legame Ioni Ca ++ 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-atina 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 Scaricato da www.sunhope.it 6
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. Scaricato da www.sunhope.it 7
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. 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. Scaricato da www.sunhope.it 8
Da cosa è regolato questo processo? Nello stato rilassato la tropomiosina blocca parzialmente i siti di legame dell actina per la miosina. 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. Scaricato da www.sunhope.it 9
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. Scaricato da www.sunhope.it 10
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Il reticolo sarcoplasmatico avvolge ogni singola miofibrilla. Il sistema dei tubuli T è strettamente associato al reticolo sarcoplasmatico ed è in continuità con la membrana di superficie della fibra muscolare. I tubuli T permettono ai potenziali d azione che originano sulla superficie cellulare a livello della giunzione neuromuscolare di passare velocemente all interno della fibra. Senza tubuli T, il potenziale d azione potrebbe raggiungere il centro della fibra solo per diffusione di cariche positive nel citosol, processo più lento che ritarderebbe il tempo di risposta della fibra muscolare. Scaricato da www.sunhope.it 12
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. Scaricato da www.sunhope.it 13
1. 1. Il potenziale d azione nel motoneurone somatico raggiunge il terminale assonale. 2. I canali del Ca 2+ voltaggio-dipendente si aprono. L ingresso di Ca 2+ innesca l esocitosi delle vescicole sinaptiche contenenti ACh. 3. L ACh diffonde nello spazio sinaptico e si lega ai recettori nicotinici sulla placca motrice del muscolo. 4. Il legame dell ACh apre un canale cationico non specifico. Sia l Na + che il K + si muovono attraverso il canale secondo il loro gradiente elettrochimico. L ingresso netto di cariche positive depolarizza la membrana muscolare, generando un potenziale di placca. 5. Il potenziale di placca è sempre sovrasoglia e determina un potenziale di azione nella fibra muscolare. 6. Il potenziale di azione generato alla giunzione neuromuscolare diffonde lungo la membrana della fibra muscolare, muovendosi verso l interno della fibra tramite i tubuli T. 7. Il potenziale di azione nei tubuli T attiva i recettori diidropiridina. I recettori DHP aprono i canali del Ca 2+ nella membrana del reticolo sarcoplasmatico. 8. Il Ca 2+ diffonde fuori dal reticolo sarcoplasmatico e si lega alla troponina, allontanando la tropomiosina dal sito di legame per la miosina. Questa azione permette alle teste della miosina di rilasciare il fosfato inorganico dall idrolisi dell ATP e di completare la loro flessione. 9. Al termine della flessione, il ponte trasversale della miosina rilascia ADP e resta legato fortemente all actina. La miosina deve legarsi a una molecola di ATP per uscire da questo stato di rigor. 10. La fibra muscolare si rilassa quando il Ca 2+ viene rilasciato dalla troponina e la tropomiosina torna a bloccare il sito di legame della miosina. Il Calcio viene ritrasportato dentro al reticolo sarcoplasmatico tramite una Ca 2+ -ATPasi. 11. L ATPasi della miosina idrolizza l ATP in ADP e P, che restano legati alla testa della miosina. La miosina torna indietro e si lega ad una nuova molecola di actina, pronta a eseguire la successiva flessione. Scaricato da www.sunhope.it 14
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). 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. Scaricato da www.sunhope.it 15
La tensione sviluppata dalla contrazione riflette direttamente la 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. La teoria dello scorrimento dei filamenti prevede che la tensione che la fibra muscolare può generare sia direttamente proporzionale al numero di ponti trasversali che si formano tra filamenti spessi e filamenti sottili. 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 per una breve distanza prima che questi, da opposte estremità del sarcomero, cominciano a sovrapporsi impedendo la formazione dei ponti trasversali. Inoltre, i filamenti spessi finiscono a contatto coi dischi Z e non possono formare ponti trasversali per cui la tensione cala rapidamente. Adenina Adenosintrifosfato (ATP) Fosfato 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 Scaricato da www.sunhope.it 16
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ANAEROBIOSI Scaricato da www.sunhope.it 18
Metabolismo Glicidico e Produzione di Energia Glicolisi: 2 ATP 2 ATP 2 NADH* (citoplasmatico) x 1.5-2.5 ATP/NADH 3-5ATP Metabolismo aerobio: 2 NADH (mitocondriale) x 2.5 ATP/NADH 5 ATP 2 ATP 2 ATP 6 NADH (mitocondriale) x 2.5 ATP/NADH 15 ATP 2 FADH 2 (mitocondriale) x 2 ATP/FADH 2 4 ATP Totale: 31-33 ATP CARATTERISTICHE DEI VARI TIPI DI FIBRE MUSCOLARI Ossidative lente muscolo rosso Ossidative rapide muscolo rosso Glicolitiche rapide muscolo bianco 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 Scaricato da www.sunhope.it 19
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). 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. Scaricato da www.sunhope.it 20
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 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. Scaricato da www.sunhope.it 21
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. AFFATICAMENTO MUSCOLARE Scaricato da www.sunhope.it 22