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Carlo Capelli, Facoltà di Scienze Motorie, Università degli Studi di

Verona

Adattamenti Muscolari

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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)

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

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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

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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

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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 MYHAS8

17p13.1

IIA

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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

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Tipi cellulari e isoforme della miosina

•  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

Isoforme delle proteine miofribrilari e distribuzione degli enzimi metabolici nei diversi tipi di fibre di muscolo umano

Fibre Tipo I Fibre Tipo IIA Fibre di Tipo IIX

Proteine

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

TnC-fast, TNI-fast, TnT-fast

Enzimi Aerobici Aerobici e Anaerobici

Anaerobic

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Caratteristiche dei tipi cellulari

•  La grande variabilità funzionale delle fibre scheletriche dipende principalmente dal loro contenuto in isoforma delle MHC

Curva forza velocità Potenza

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Caratteristiche dei tipi cellulari

Consumo di ATP in contrazioni isometriche (costo della contrazione)

Massima forza isometrica specifica

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Caratteristiche dei tipi cellulari

•  Rapporto tra attività della malato deidrogenasi (enz. aerobico) e lattato deidrogenasi (enz. anaerobico) nelle fibre

•  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)

•  I tipi cellulari accoppiano in modo efficace le caratteristiche dell’attività contrattile con quelle del metabolismo energetico (enzimi)

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Eterogeneità e plasticità muscolari-meccanismo 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

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Eterogeneità e plasticità muscolari-meccanismo 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

Elementi contrattili in in parallelo

L L/2

IN PARALLELO ∆Ltot = ∆Li Ftot = F1 + F2 (quindi F va normalizzata dividendola per la superficie di sezione)

Elementi contrattili in serie

L

L/2 IN SERIE ∆Ltot = ∆L1 + ∆L2 Ftot = F1 = F2 ∆L/∆t = ∆L1/∆t + ∆L2/∆t

Isoforme della miosina e transizioni

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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 lente a fibre veloci e impedisce la trasformazione da lente a veloci in muscoli denervati

•  Stimolazione fasica ad alta frequenza induce la trasformazione da fibre lente a velociin muscoli prevalentemente formati da fibre lente (soleo)

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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 (P0) si accorcia più velocemente contro carichi sottomassimali

•  E’, quindi, più potente

Isoforme della miosina e transizioni

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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 veloci a lente in muscoli “lenti”; meno chiaro il

comportamento su muscoli veloci (meno affetti da unloading)

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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

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Allenamento aerobico e ipertrofia….

•  12 settimane di allenamento aerobico (42 sessioni in totale di 20’-45’ ciascuna; 60-80 % V’O2max) 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

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Allenamento aerobico e ipertrofia….

•  La sintesi proteica muscolare aumenta nei giovani ed anziani •  Conduce ad incrementi simili di massa muscolare

Konopka et al, 2014

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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 (cm2) 60.3±10.6 62.9±10.5 +4,4 < 0,005 ES=0,1

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Allenamento aerobico HIT e ipertrofia….   Quadriceps Volume

PRE POST Δ% p

QV (cm2) 817±198 859±200 +5,4 < 0,0031 ES=0.21

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Allenamento aerobico HIT e ipertrofia….

•  Gli anziani sembrano essere più sensibili ad uno stimolo cronico anabolico

Konopka et al, 2014

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Allenamento aerobico HIT e ipertrofia…. •  Meccanismi di azione

•  Il catabolismo proteico è ridotto

•  La sintesi proteica è aumentata •  La biogenesi mitocondriale è

incrementata

Konopka et al, 2014

Modificazioni funzionali e strutturali: allenamento e immobilità

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•  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

Modificazioni funzionali e strutturali: allenamento e immobilità

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•  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

Modificazioni funzionali e strutturali: allenamento e …ipossia

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•  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

Modificazioni funzionali e strutturali: allenamento e immobilità

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•  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.

Architettura muscolare

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•  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

Architettura muscolare

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•  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 anatomica

Angolo di pennazione

Sezione fisiologica

Forza sviluppata e forza efficace-accorciamento

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•  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

α α’

Lr Lc

A A’

Riposo Lr =10 α = 40 α = cos 40 = 7.7

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

Forza sviluppata e forza efficace

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•  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

Bibliografia

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•  Fisiologia dell’esercizio fisico: adattamenti muscoalri, 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