Fisiologia del Muscolo

Il tessuto muscolare, attraverso ilmeccanismo della contrazione, sviluppaforza e si accorcia, producendo lavoromeccanico.

L’energia necessaria alla contrazionemuscolare deriva dall’idrolisi dell’ATP.

Il tessuto muscolare, attraverso ilmeccanismo della contrazione, sviluppaforza e si accorcia, producendo lavoromeccanico.

L’energia necessaria alla contrazionemuscolare deriva dall’idrolisi dell’ATP.

Muscolo scheletrico: responsabile di movimentivolontari, generati da comandi corticali in risposta ad undesiderio cosciente e di movimenti involontari (riflessi) inrisposta a stimoli esterni.

Muscolo liscio: responsabile di movimenti involontariche interessano organi interni, iniziati in via riflessa dalsistema nervoso autonomo (simpatico e parasimpatico), inrisposta a stimoli di diversa natura.

Tre tipi di muscolo:scheletrico (striato), liscio, cardiaco

Muscolo liscio: responsabile di movimenti involontariche interessano organi interni, iniziati in via riflessa dalsistema nervoso autonomo (simpatico e parasimpatico), inrisposta a stimoli di diversa natura.

Muscolo cardiaco: striato ma involontario, permette alcuore di funzionare come pompa per la circolazione delsangue.

Il muscolo scheletrico

Le principali struttureintracellulari delle fibremuscolari, responsabilidella contrazione, sono lemiofibrille, composte dafilamenti sottili e spessi,disposti a formare unasequenza ripetitiva dibande chiare (I) e scure(A).

Le principali struttureintracellulari delle fibremuscolari, responsabilidella contrazione, sono lemiofibrille, composte dafilamenti sottili e spessi,disposti a formare unasequenza ripetitiva dibande chiare (I) e scure(A).

L’unità anatomo funzionale della fibra muscolare è il sarcomero, compreso tradue linee Z, che dividono la banda I (solo filamenti sottili) in due metàappartenenti a sarcomeri adiacenti. La banda A, comprende zone più scure(filamenti spessi e sottili) e una banda centrale più chiara, zona H (filamentispessi) con al centro la linea M.

Filamenti sottili composti dallaproteina contrattile actina e daproteine regolatrici troponina etropomiosina.

Filamenti spessi formati damiosina.

ATPasi

Filamenti sottili composti dallaproteina contrattile actina e daproteine regolatrici troponina etropomiosina.

Filamenti spessi formati damiosina.

Filamentosottile

Catena di actina

Filamento sottile: Actina + proteine regolatrici:Filamento sottile: Actina + proteine regolatrici:Tropomiosina e TroponinaTropomiosina e Troponina

Tropomiosina Troponina Molecole di G-actina

Actina: Doppia elica di G-actina, contiene i siti di legame per la miosina, chenel muscolo a riposo sono bloccati dalle proteine tropomiosina e troponiona.Tropomiosina: proteina filamentosa disposta fra le due eliche di actina.Troponina: formata da tre subunità: TnC (lega Ca2+), TnI (inibitoria) e TnT (silega alla tropomiosina), disposte ad intervalli regolari lungo i filamenti ditropomiosina.Il complesso troponina-tropomiosina, in assenza di Ca2+, inibisce l’interazioneactina-miosina.

Filamento spesso: miosinaFilamento spesso: miosinaCompostoComposto dada circacirca 250250 molecolemolecole didi miosinamiosina intrecciateintrecciate tratra didi loroloro..

NellaNella testatesta èè presentepresente unauna ATPasiATPasi.. InIn presenzapresenza didi ATPATP sisi generagenera energiaenergiacheche vieneviene utilizzatautilizzata perper ilil movimentomovimento delladella testa,testa, dopodopo ilil suosuo attaccoattacco conconl’actinal’actina..

Molecola di Miosina

Interazione tra filamenti

Disco ZDisco Z Filamento spesso

Filamento sottile

Filamento spesso Ponte trasverso

Le molecole di miosina sono disposte con le testeraggruppate alle estremità del filamento spesso e le code aformare la regione centrale. Le teste delle molecole di miosina, dette anche pontitrasversi, sono vicine al sito di interazione sulla molecola diactina, che in condizioni di riposo è bloccato dal complessotroponina-tropomiosina.

Meccanismo della contrazione muscolare:accorciamento del sarcomero

Riposo

Attività

L’interazione troponina-Ca2+ rende disponibile il sito di attacco actina-miosina Le teste della miosina energizzate dalla scissione dell’ATP si legano all’actinae si piegano (movimento a remo) generando una forza che fa scorrere ifilamenti e determina accorciamento del sarcomero. Le teste poi si staccano e si attaccano ad un altro sito dell’actina. Lasuccessione di questi eventi determina contrazione e accorciamento muscolare.

Riposo: legame actina-miosina impedito

Il legame TnC-Ca2+ liberail sito di interazione

actina-miosinaIl legame miosina-ATP ela scissione dell’ATPenergizza la testa e laprepara per un nuovoattacco all’actina.Il ciclo si ripete e lacontrazione va avantifinchè c’è Ca2+.

Ciclo ponti trasversi

La testa della miosinaruota e spinge ilfilamento di actinaverso il centro delsarcomero.

La testa si stacca grazieall’ATP

Chi attiva la contrazione?Accoppiamento

elettro-meccanico

Chi attiva la contrazione?Accoppiamento

elettro-meccanico

La giunzione neuromuscolare (neurotrasmettitoreacetilcolina, Ach)

Placca motrice

Ach liberata dalle vescicole sinaptiche si lega a recettori post-sinaptici(ionotropici) permeabili a Na+ e K+.Si genera un potenziale postsinaptico eccitatorio (potenzialepotenziale didi placcaplacca)che genera il PA nella zona della placca motrice contenente i canalivoltaggio-dipendenti per Na+ e K+.Il potenziale di placca è solo eccitatorio e ha sempre un’intensità soprasoglia per il PA. Rapporto 1:1 tra PA motoneurone e PA muscolare.

La contrazione muscolare è innescata dal PA muscolare e dipende dalCa2+. Quando il muscolo è a riposo il Ca2+ è contenuto nel reticolosarcoplasmatico. Viene liberato nel sarcoplasma in seguito alla nascitadel PA e si lega alla troponina C innescando la contrazione. Il tempo richiesto per questo processo determina un ritardo tra il PA

e la contrazione, detto tempo di latenza.

Il Ca2+ è immagazzinato nellecisterne terminali delreticolo sarcoplasmatico.Il PA nato a livello dellaplacca motrice si propagalungo la membrana della fibramuscolare e lungo i tubuli a T(invaginazioni dellamembrana) arrivando adepolarizzare la membranadelle cisterne terminali.Questa depolarizzazionedetermina il rilascio del Ca2+

nel sarcoplasma.

Il sistema tubuli TIl sistema tubuli T--reticolo sarcoplasmaticoreticolo sarcoplasmatico

Il Ca2+ è immagazzinato nellecisterne terminali delreticolo sarcoplasmatico.Il PA nato a livello dellaplacca motrice si propagalungo la membrana della fibramuscolare e lungo i tubuli a T(invaginazioni dellamembrana) arrivando adepolarizzare la membranadelle cisterne terminali.Questa depolarizzazionedetermina il rilascio del Ca2+

nel sarcoplasma.

Il PA depolarizza la membrana del tubulo a T e attiva i recettorivoltaggio dipendenti diidropiridina (DHP) legati meccanicamente a canaliCa2+ del reticolo sarcoplasmatico, determinandone l’apertura.Ca2+ viene liberato, si lega alla Troponina C e innesca la contrazione.

La contrazione termina (rilasciamento muscolare) quando finito ilfenomeno elettrico il Ca2+ viene riportato nelle cisterne del reticolosarcoplasmatico o espulso dalla cellula, per azione di pompe Ca2+-ATPdipendenti e scambiatori Na+/Ca2+.

Contrazione muscolareContrazione muscolare

Lo sviluppo di tensionedurante la contrazionemuscolare presenta una fasedi salita, fase di contrazioneed una di discesa, fase dirilasciamento.La contrazione generata da unsingolo PA, è detta scossamuscolare e ha una duratamaggiore del PA.La durata della scossasemplice dipende dal tipo difibra muscolare.

Tempo (msec)

Contrazionemuscolare

Potenzialed’azione della

fibra muscolare

Lo sviluppo di tensionedurante la contrazionemuscolare presenta una fasedi salita, fase di contrazioneed una di discesa, fase dirilasciamento.La contrazione generata da unsingolo PA, è detta scossamuscolare e ha una duratamaggiore del PA.La durata della scossasemplice dipende dal tipo difibra muscolare.

Tempo (msec)

Contrazionemuscolare

Fase dirilasciamentoTempo di

Latenza

Fase dicontrazione

Tens

ione

La contrazione ha durata maggiore del PA e, a causa delperiodo di latenza, si sviluppa quando il PA è già terminato.

Tens

ione

Tempo (msec)

Tens

ione

Potenzialed’azione

Scosse semplici sommate

La maggior durata della scossa muscolare, rispetto al PA, permettela sommazione di singole scosse.

Un secondo PA, ravvicinato nel tempo al primo, genera una secondacontrazione, quando la prima non è ancora finita.

La tensione sviluppata dalla seconda contrazione si somma a quelladella prima e il muscolo sviluppa una contrazione più forte e duratura(tetano muscolare).

Tempo (msec)

Tens

ione

Potenzialed’azione

Tens

ione

Tensione massima

Se le scosse semplici, provocate da PA in successione, sisommano nella fase di rilasciamento, si parla di tetanoincompleto

Tens

ione

Tempo (msec)Potenzialed’azione

Se le scosse semplici, provocate da PA in successione, sisommano in fase di contrazione, si parla di tetanocompleto.

Tens

ione

Tensione massima

Tens

ione

Tempo (msec)

Potenzialed’azione

Tensione della singola scossa

Il muscolo sviluppa tensione (forza di contrazione) maggiore nellacontrazione tetanica completa.Il muscolo sviluppa tetano incompleto o completo a seconda dellafrequenza di scarica dei motoneuroni che lo innervano.La regolazione della frequenza di scarica del motoneurone è il

meccanismo che permette di regolare la forza della contrazionemuscolare.

Il muscolo sviluppa tensione (forza di contrazione) maggiore nellacontrazione tetanica completa.Il muscolo sviluppa tetano incompleto o completo a seconda dellafrequenza di scarica dei motoneuroni che lo innervano.La regolazione della frequenza di scarica del motoneurone è il

meccanismo che permette di regolare la forza della contrazionemuscolare.

La tensione sviluppata dal muscolo durante la contrazionedipende anche dalla lunghezza a cui si trovano le fibremuscolari quando inizia la contrazione.

La tensione muscolare è divisibile in due componenti:• Tensione passiva: Sviluppata dal muscolo a riposo.Aumenta all’aumentare della lunghezza delle fibremuscolari e dipende dal comportamento elastico delmuscolo. Tutti i corpi elastici, allungati, sviluppano unatensione, che tende ad opporsi allo stiramento stesso.• Tensione attiva. Si genera nel muscolo per ilmeccanismo attivo di interazione dei filamenti contrattili.Tensione passiva + Tensione attiva = Tensione totale

La tensione sviluppata dal muscolo durante la contrazionedipende anche dalla lunghezza a cui si trovano le fibremuscolari quando inizia la contrazione.

La tensione muscolare è divisibile in due componenti:• Tensione passiva: Sviluppata dal muscolo a riposo.Aumenta all’aumentare della lunghezza delle fibremuscolari e dipende dal comportamento elastico delmuscolo. Tutti i corpi elastici, allungati, sviluppano unatensione, che tende ad opporsi allo stiramento stesso.• Tensione attiva. Si genera nel muscolo per ilmeccanismo attivo di interazione dei filamenti contrattili.Tensione passiva + Tensione attiva = Tensione totale

Relazione lunghezzaRelazione lunghezza--tensione nel muscolo scheletricotensione nel muscolo scheletrico

Tensionepassiva

Tensioneattiva

Tensionetotale

La relazione tra lunghezza delle fibre muscolari e tensione sviluppata(curva lunghezza-tensione) indica che:Tensione passiva aumenta con l’aumentare della lunghezza.Tensione attiva aumenta fino ad un massimo, dopo di che cade a 0.

Tensione totale = attiva + passiva

La tensione attiva dipende dal numero di legami actina-miosina che siformano, che è determinato dalla lunghezza del sarcomero.La lunghezza ottimale (massima tensione attiva) è quella che permette ilmassimo numero di interazioni. A lunghezze maggiori o minori, leinterazioni actina-miosina si riducono tensione sviluppata minore.I sarcomeri sono alla lunghezza ottimale quando il muscolo è alla sualunghezza di riposo.

L’ATP svolge tre ruoli importanti:- Trasferimento di energia alla testa della

miosina.- Distacco della miosina dall’actina.- Trasporto attivo del Ca2+ nel reticolo

sarcoplasmatico.

Il combustibile nella contrazionemuscolare è l’ATP

L’ATP svolge tre ruoli importanti:- Trasferimento di energia alla testa della

miosina.- Distacco della miosina dall’actina.- Trasporto attivo del Ca2+ nel reticolo

sarcoplasmatico.

Fosfocreatinchinasi

Poiché la concentrazione di ATP nel muscolo è sufficiente per una contrazionetetanica di ~ 2 sec, la contrazione può durare di più solo se si riforma ATPattraverso: Fosfocreatina, glicolisi e fosforilazione ossidativa.

Glicolisi anaerobia:Glucosio piruvato acido lattico 2 ATP.(poco efficiente marapida)

Fosfocreatina + ADP CREATINA + ATP

Fosfocreatinchinasi

2

Glicolisi anaerobia:Glucosio piruvato acido lattico 2 ATP.(poco efficiente marapida)

2

36

Glicolisi aerobia: Inpresenza di O2, piruvatoentra nel ciclo di Krebs 36 ATP.• In condizioni aerobie,il muscolo può utilizzareanche acidi grassi,(beta-ossidazione Acetil-CoA).

I tre tipi di fibre muscolari, FF, FR e S, sono presenti in tutti i muscoli,ma con percentuali diverse da muscolo a muscolo. La velocità con cui ilmuscolo sviluppa tensione, e la durata della contrazione, dipendono dalprevalere di un tipo di fibra rispetto alle altre. Muscoli rapidi numeromaggiore di fibre rapide, muscoli lenti di fibre lente.

Meccanica muscolareMeccanica muscolareContrazioni isometrica ed isotonica

Contrazione isometricaContrazione isometricadurante la contrazione il muscolo sviluppatensione, ma non si accorcia, perché la tensionesviluppata non è sufficiente a vincere e quindispostare il carico ad esso attaccato.

Contrazione isotonicaContrazione isotonicadurante la contrazione il muscolo siaccorcia, perché sviluppa una tensionesufficiente a vincere e quindi spostare ilcarico ad esso attaccato.

Contrazioni isometrica ed isotonica

ISOMETRICA ISOTONICA

Durante un movimentola contrazione èall’inizio sempreisometrica, perché ilmuscolo deve svilupparela tensione necessaria avincere il carico.

Solo quando si èraggiunta la tensionedesiderata diventaisotonica, il muscolo siaccorcia e sposta ilcarico.

Durante un movimentola contrazione èall’inizio sempreisometrica, perché ilmuscolo deve svilupparela tensione necessaria avincere il carico.

Solo quando si èraggiunta la tensionedesiderata diventaisotonica, il muscolo siaccorcia e sposta ilcarico.

L’unità fondamentale del movimentoè l’unità motoria

Unità motoria = motoneurone + fibre muscolari da essoinnervate.Le fibre muscolari di una unità motoria sono tutte dellostesso tipo. Si distinguono quindi unità motorie S (fibre I),FF (fibre IIB) o FR (fibre IIA).

Unità motoria

Ogni fibra muscolare è innervata da unasola terminazione assonale delmotoneurone.Il rapporto tra fibra nervosa emuscolare è 1:1.Il potenziale d’azione che si propagalungo l’assone di un motoneuronedetermina la contemporanea attivazione(contrazione) di tutte le fibre muscolarida esso innervate.

Unità motoria

Ogni fibra muscolare è innervata da unasola terminazione assonale delmotoneurone.Il rapporto tra fibra nervosa emuscolare è 1:1.Il potenziale d’azione che si propagalungo l’assone di un motoneuronedetermina la contemporanea attivazione(contrazione) di tutte le fibre muscolarida esso innervate.

Unità motoria piccola Unità motoria grande

Motoneuroni

Il numero delle fibre muscolari che formano l’unità motoria è variabile.Unità motorie piccole: formate da poche fibre muscolariUnità motorie grandi: formate da molte fibre muscolari.

Motoneuroni

Fibre muscolari innervate da unsingolo motoneurone

Per ogni muscoloesistono diverse unità

motorie

Nucleo motore

AfferenzeAfferenze

I motoneuroni sono localizzatinelle corna anteriori del midollospinale.

Tutti i motoneuroni cheinnervano lo stesso muscolo sonoraggruppati in un nucleo motore

Muscolo

La grandezza dell’unità motoria non è in relazione con lagrandezza del muscolo innervato, ma con lecaratteristiche del movimento che il muscolo devecompiere.• Muscoli che eseguono movimenti fini (oculari o dellamano) sono formati da unità motorie piccole (5-10 fibre).Questa organizzazione consente una graduazione fine delmovimento.• Muscoli che eseguono movimenti grossolani (stare inpiedi o camminare) hanno unità motorie grandi (100-1000fibre).Questa organizzazione consente un aumento notevoledella forza muscolare, perché ogni unità motoria in più,che viene attivata, permette la contrazione aggiuntiva dimolte fibre.

La grandezza dell’unità motoria non è in relazione con lagrandezza del muscolo innervato, ma con lecaratteristiche del movimento che il muscolo devecompiere.• Muscoli che eseguono movimenti fini (oculari o dellamano) sono formati da unità motorie piccole (5-10 fibre).Questa organizzazione consente una graduazione fine delmovimento.• Muscoli che eseguono movimenti grossolani (stare inpiedi o camminare) hanno unità motorie grandi (100-1000fibre).Questa organizzazione consente un aumento notevoledella forza muscolare, perché ogni unità motoria in più,che viene attivata, permette la contrazione aggiuntiva dimolte fibre.

• La forza di contrazione di un muscolo dipende dal numerodi fibre muscolari che si contraggono e può essereaumentata attraverso il reclutamento di un numeromaggiore di unità motorie.

• Maggiore è la stimolazione che arriva ad un nucleomotore, maggiore è il numero di unità motorie attivate.Quando tutti i motoneuroni, e quindi tutte le unità motoriesono attivate, si contraggono tutte le fibre muscolari cheformano quel muscolo.

• Un ulteriore incremento di forza si può ottenereaumentando la frequenza di scarica dei motoneuroni giàattivi, in modo che le fibre muscolari dell’unità motoriasviluppino una contrazione tetanica completa.

• La forza di contrazione di un muscolo dipende dal numerodi fibre muscolari che si contraggono e può essereaumentata attraverso il reclutamento di un numeromaggiore di unità motorie.

• Maggiore è la stimolazione che arriva ad un nucleomotore, maggiore è il numero di unità motorie attivate.Quando tutti i motoneuroni, e quindi tutte le unità motoriesono attivate, si contraggono tutte le fibre muscolari cheformano quel muscolo.

• Un ulteriore incremento di forza si può ottenereaumentando la frequenza di scarica dei motoneuroni giàattivi, in modo che le fibre muscolari dell’unità motoriasviluppino una contrazione tetanica completa.

Nucleo motore

Afferenze

Afferenze

Nucleo motore

Afferenze

Afferenze

Reclutamento unità motorieReclutamento unità motorie

Muscolo

Quando gli impulsi afferentiattivano solo alcuni motoneuronidel nucleo motore, sicontraggono solo le fibremuscolari collegate a queimotoneuroni.

Muscolo

Quando aumenta lo stimolo afferenteal nucleo motore, tutti i motoneuronivengono attivati e tutte le fibremuscolari possono contrarsi. Aumentala forza di contrazione sviluppata dalmuscolo.