Contrazione muscolare

Fisiologia e Biofisica

A.A. 2015-2016

Corso di Laurea Magistrale in “Medicina e Chirurgia”

Contrazione muscolare

Energia chimica

muscolo

I muscoli hanno due funzioni: generare movimentogenerare 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)

muscolo

Energia meccanica

Le fibre muscolari scheletriche appaiono striate emultinucleate. Controllano i movimenti del corpo.Sono volontari, si contraggono in rispostaa stimoli che provengono da motoneuroni.

Le fibre muscolari cardiache sono uninucleate e striate.Si connettono tra loro attraverso dischi intercalari.Sono involontarie, si contraggono spontaneamentesenza stimoli esterni. L’attività è modulata dalsenza stimoli esterni. L’attività è modulata dalsistema nervoso viscerale e anche dal sistemaendocrino.

Muscolo liscio è il tipo principale di muscolo degli organiinterni e cavi, come stomaco, vescica, vasi sanguigni.Cellule uninucleate senza evidenti striature.

Muscolo scheletrico

ConnettivoFibre

muscolariVasi sanguigni Nervi

muscolari

Sarcolemma

Tubuli TSarcoplasmaNuclei

Reticolo

sarcoplasmatico

Miofibrille

Mitocondri

Glicogeno

Nucleo

Tubuli TReticolo

sarcoplasmatico Sarcolemma Mitocondri

Filamento spesso

Fibra (cellula) muscolare

Filamento sottile

Miofibrilla

2 catene pesanti (heavy chains)

p.m. 200.000

Miosina:

proteina oligomerica

FILAMENTI SPESSI

2 coppie di catene leggere

(light chains) non identiche

p.m.16.000 e 20.000

proteina oligomerica

p.m. 450.000

Dominio C-terminale: α-elicoidale

lunghezza 134 nm, diametro 2 nm

(coda della miosina)

Dominio N-terminale: globulare

(testa della miosina)

Ciascuna catena pesante

Ogni coppia di catene leggere è legata al dominio globulare di ciascuna

catena pesante nel tratto che connette testa e coda.

Coda

Snodo

Testa

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.

TnI

Legame

Tn-tropomiosina

Legame

Actina-TnC

Legame

Ioni Ca++

Troponina

TnT

TnC

linea M

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 Ca2+ si lega alla troponina C. Il legame col Ca2+ cambia laconformazione della molecola di tropomiosina e scopre il resto del sito di legame per la miosina, così chequesta 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 connessionemeccanica fra il recettore e il reticolo sarcoplasmatico apre i canali per il Ca2+ .L’apertura di questi canali rilascia Ca2+ nel citoplasma, dove gli ioni si possono combinare con la troponinae permettere di iniziare la contrazione.Il rilasciamento muscolare si ha quando il reticolo sarcoplasmatico riassorbe Ca2+ per mezzo di una Ca2+-ATPasi. Quando la concentrazione citoplasmatica di Ca2+ scende, lo ione si stacca dalla troponina, latropomiosina 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 Ca2+ voltaggio-dipendente si aprono. L’ingresso di Ca2+ 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 Ca2+

nella membrana del reticolo sarcoplasmatico.nella membrana del reticolo sarcoplasmatico.

8. Il Ca2+ 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 Ca2+ 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

Ca2+-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 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 rilasciocolina. 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.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 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 Ca2+ 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)

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)

MovimentoResistenza ad un

carico Movimento

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.

Ribosio

Adenina

Adenosintrifosfato (ATP)

Fosfato

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 O2

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 O2 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 fornitariserve energetiche non è più sufficiente e l’energia è fornita

da processi anaerobici.

Al termine dello sforzo, è necessario utilizzare una quantità di O2

supplementare per rimuovere l’eccesso di acido lattico e ripristinare

i depositi di ATP e fosfocreatina. L’extraconsumo di O2 è tanto

maggiore quanto più lungo è stato il ricorso a processi anaerobici.

Produzione di calore nei muscoli

Energia fornita = Energia liberata

W, lavoro meccanico

Sintesi ATP e PC

Q, calore

Rendimento = W/Energia fornita

0≤ Rendimento ≤50%

Contrazione isometrica Contrazione isometrica

Q

Calore iniziale

Calore attivazione

Calore accorciamento

Calore ristoro

Tempo

Calore di riposoProcessi metabolici di

base

Start Stop

Calore di riposo

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 massimatensione. Se il muscolo ha ancora la possibilità di rilassarsi tra gli stimoli, sirealizza il tetano incompleto.

Tetano completo

Se il muscolo raggiunge una tensione costante, è nella condizione di 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 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 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 fondamen-

tale 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.

Muscolo : insieme

di unità motorie.

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.

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)FR(fast fatigable)Tipo IIb

Recettori sensoriali per il coordinamento dell’attività

motoria

Fuso neuromuscolare

Fibre

extrafusaliFibre

intrafusali

Recettori sensoriali per il coordinamento dell’attività

motoria

AFFATICAMENTO MUSCOLARE