LE BASI MOLECOLARI DELLA CONTRAZIONE

LE UNITA' CONTRATTILI (muscolo striato): il sarcomero, i dischi Z.

Filamenti sottili: actina (subunità globulari disposte ad elica), tropomiosina (filamentosa), troponina (3 subunità globulari)

Filamenti spessi: miosina: coda (meromiosina leggera, parte filamentosa): collo e testa (ponti trasversali: meromiosina pesante); siti attivi per il legame con l'actina e con l'ATP.

IL CICLO DEI PONTI TRASVERSALI.

Una miscela di proteine contrattili in vitro cambia conformazione (si aggrega: actina + miosina = actomiosina) in presenza di calcio e si disaggrega se viene rimosso il calcio e aggiunto ATP. In assenza di ATP il complesso actomiosinico è stabile (complesso del rigor).

In vivo il processo avviene in 4 fasi, in presenza di calcio e ATP:

.raddrizzamento del ponte e ripresa del ciclo se è ancora presente calcio.

.attacco del ponte laterale;.idrolisi dell'ATP con liberazione di energia e ripiegamento del ponte (scorrimento dei filamenti sottili);

.ripristino della molecola di ATP e rottura del legame actomiosinico;

Il continuo riformarsi dei ponti trasversali spinge le molecole di actina verso il centro del sarcomero (meccanismo a ruota dentata), sviluppando forza e/o accorciamento

Il ruolo del Ca++ consiste nel legarsi alla troponina e trascinare la tropomiosina in profondità nella doccia formata dall'elica dell'actina, scoprendo i siti attivi per la reazione con i ponti trasversali

La velocità della contrazione dipende dal carico e dalle caratteristiche enzimatiche dell'ATPasi miosinica (diversa in diversi tipo di fibra muscolare).

LE BASI MOLECOLARI DELLA CONTRAZIONE

actina miosina

LE BASI MOLECOLARI DELLA CONTRAZIONE i

Ct

LE BASI MOLECOLARI DELLA CONTRAZIONE i

Ct

LE BASI MOLECOLARI DELLA CONTRAZIONE

Condizione di riposo Stimolo

Entrata del Ca++

1- attacco dei ponti laterali

2- idrolisi ATP, flessione teste e scorrimento

3- ripristino ATP, distacco ponti

4 ritorno teste, se c’è Ca++, ripresa del ciclo

LA RISPOSTA BIOLOGICA: TIPI DI CONTRAZIONE

La contrazione di un muscolo può essere: isometrica (solo sviluppo di forza, a lunghezza costante), isotonica (solo accorciamento, con forza costante), o una combinazione delle due: solo in questo caso viene prodotto lavoro esterno (forza * spostamento).

riposo c. isotonica c. isometrica

Curva della tensione totale, della tensione passiva e della tensione attiva.

Curva tensione-lunghezza: la forza sviluppata dipende dalla lunghezza del muscolo prima della contrazione.

E' massima alla lunghezza fisiologica dei muscoli, che corrisponde alla completa sovrapposizione dei filamenti

diminuisce per lunghezze maggiori, perché meno ponti possono interagire

diminuisce per lunghezze minori, perché i filamenti di actina si sovrappongono

Ten

sion

e (

forz

a)

Lunghezza (accorciamento)

Tensione passiva

Ten

sion

e (

forz

a)

Lunghezza (accorciamento)

Tensione totaleTensione attiva

T

Tensioneattiva

Stiramentopassivo

T-Tp

Tp

lo

Risposta meccanica: Curva tensione-lunghezza

Curva forza-velocità: la velocità dell'accorciamento diminuisce con il carico; è massima in una contrazione

isotonica (Vmax) e zero in una

contrazione isometrica (P0). Diversi

fattori regolano Vmax e P0.

è massimo alla massima potenza, raggiungendo il 45%. L'energia residua è trasformata in calore.

La potenza è il prodotto della forza per la velocità

è massima a circa 1/3 della forza isometricaIl rendimento meccanico di un muscolo è il rapporto fra lavoro prodotto ed energia consumata

Vmax

Pmax Pmax

W

Diagramma di Hill: rapporto forza/velocità

I MUSCOLI CHE AGISCONO SULLO SCHELETRO

La maggior parte dei muscoli scheletrici è connessa, con le estremità tendinee, a segmenti scheletrici: fanno eccezione i muscoli orbicolari e gli sfinteri. Le cellule sono multinucleate e lunghe quanto il muscolo stesso. Ognuna funziona separatamente dalle altre, ma è coordinata in unità motorie. I comandi nervosi sono essenziali per la contrazione.

La disposizione delle leve presuppone piccoli accorciamenti ed elevato sviluppo di forza

Disposizione comune in gruppi agonisti ed antagonisti per il movimento degli arti.

STRUTTURA

Oltre alle proteine contrattili, sono importanti gli elementi del reticolo sarcoplasmatico: tubuli longitudinali, cisterne terminali, tubuli trasversali (T). Questi ultimi sono introflessioni della membrana sarcoplasmatica e contengono liquido extracellulare: portano le variazioni di potenziale in prossimità dei sarcomeri.

ACCOPPIAMENTO ELETTRO-MECCANICO

Liberazione di Ca++ dalle cisterne terminali in presenza di potenziale d'azione; alta affinità della troponina per il Ca++; riassunzione attiva di Ca++ da parte del reticolo sarcoplasmatico (pompa metabolica, con consumo di ATP); durata del ciclo del Ca++ assai maggiore del potenziale d'azione.

LE BASI MOLECOLARI DELLA CONTRAZIONE

La liberazione del calcio

Accoppiamento elettromeccanico

.....

.

legame vescicole sinaptiche con proteine di fusione

. ... .

Liberazione di AcetilcolinaNello spazio intesinaptico

Potenziale d’azione

Allontanamento delle vescicole vuote

Apertura canali Na+/K+ e depolarizzazione

Apertura voltage-gated dei canali ca++ reticolo sarcoplasmatico

Contrazione muscolare

SCOSSA SEMPLICE: risposta meccanica ad una singola stimolazione. Contrazione seguita da rilasciamento, con sviluppo di forza (o accorciamento) ridotto; la risposta meccanica dura almeno 10 volte più a lungo del potenziale d'azione.

REGOLAZIONE DELLA CONTRAZIONE

Scossa semplice

TETANO INCOMPLETO: risposta meccanica a stimolazioni ripetute con intervalli più brevi del ciclo del Ca++ : rilasciamento incompleto e maggiore sviluppo di forza (o accorciamento)

Tetano incompleto

TETANO COMPLETO (FUSO): risposta meccanica alla stimolazione ad alta frequenza (20-60 Hz). Non avviene rilascimanto e lo sviluppo di forza (o l'accorciamento) è massimo

Tetano completo

SPIEGAZIONI: progressivo accumulo di Ca++ intracellulare all'avvicinarsi degli stimoli. Mantenimento in tensione degli elementi non contrattili (visco elastici), che sottraggono la maggior parte del lavoro compiuto dai sarcomeri nella scossa semplice.

Per fosforilazione ossidativa attraverso il ciclo di Krebbs, con consumo di ossigeno [aerobico].

RIFORNIMENTO DELL'ATP:

Depositi intracellulari (5 s);

Per fosforilazione diretta dell'ADP dal creatinfosfato (20 s) [anaerobico alattacido];Per glicolisi anaerobica (consumo di glucosio e delle riserve di glicogeno), con formazione di acido lattico(2 min) [anaerobico lattacido];

Accrescimento e adattamento (allenamento).

Concetto di debito di ossigeno. Fibre veloci (pallide): es. coniglio, petto di pollo

Fibre lente (rosse): es. lepre; coscia di pollo

Diverse strategie metaboliche nei diversi tipi di fibra muscolare.Fatica muscolare

Fibre muscolari

Tipo I SO S ST

Tipo IIa FO FR FTa

Tipo IIx FG FF FTb

rosse

bianche

ATP ADP + P1 + Energia

1) meccanismo anaerobico

alattacido

2) meccanismo anaerobico

lattacido

3) meccanismo aerobico

Tipo I

Tipo IIa

Tipo IIx

Velocità, durata, forza di contrazione e resistenza dipendono dalle caratteristiche enzimatiche dell'ATPasi miosinica e dal metabolismo cellulare

tempo (s)

0 60 120 300

Pote

nza (m

l/Kg/m

in)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180ANAEROBICA ALATTACIDAANAEROBICA LATTACIDAAEROBICA