Contrazione muscolare

Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia Fisiologia e Biofisica A.A. 2015-2016 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

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

Fibra (cellula) muscolare Tubuli T Reticolo sarcoplasmatico Sarcolemma Mitocondri Nucleo Filamento spesso Filamento sottile Miofibrilla

FILAMENTI SPESSI Miosina: proteina oligomerica p.m. 450.000 2 catene pesanti (heavy chains) p.m. 200.000 2 coppie di catene leggere (light chains) non identiche p.m.16.000 e 20.000

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.

Testa Snodo

Assemblaggio dei filamenti spessi nelle miofibrille

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

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.

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-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

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.

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.

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.

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 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.

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.

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. 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. 11. 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.

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.

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 acetil- colina. Ne consegue che, anche se il rilascio del neurotrasmettitore è normale, la risposta è ridotta e si manifesta debolezza muscolare.

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

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. La somministrazione di glucosio aiuta a superare la paralisi.

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).

T < C Contrazioni isotoniche (T = C)

Muscolo a riposo Contrazione isometrica:il muscolo non si accorcia. I sarcomeri si accorciano, generando forza, ma gli elementi elastici si allungono, così che la lunghezza Muscolare resta costante

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.

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. 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 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.

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

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.

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 isometrica

Calore attivazione Calore iniziale Calore accorciamento Q Calore ristoro Calore di riposo Processi metabolici di base Calore di riposo Start Stop Tempo

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.

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.

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.

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

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).

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.

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.

S (slow) Tipo I FR(fast resistent) Tipo IIa FR(fast fatigable) Tipo IIb

Recettori sensoriali per il coordinamento dell attività motoria Fuso neuromuscolare Fibre extrafusali Fibre intrafusali

Recettori sensoriali per il coordinamento dell attività motoria

AFFATICAMENTO MUSCOLARE