Role of Extracellular Matrix in Adaptation of Tendon and Skeletal Muscle to Mechanical LoadingMICHAEL KJÆRPhysiol Rev 84: 649–698, 2004; 10.1152

La matrice extracellulare (ECM) che si trova nei tessuti dei tendini, intorno e dentro ai muscoli, assicura il legame funzionale fra le cellule muscolari e l’osso. Segnali derivanti dal carico meccanico danno inizio ad una cascata di eventi che vanno dall’espressione genica alla trascrizione, traslazione e processi post traslazionali che infine regolano la sintesi proteica dell’ECM. L’ECM consiste di una varietà di sostanze, fra cui fibrille collagene e proteoglicani (PG) sono ubiquitari, ma ci sono anche PG non collageni. La forza di trasmissione del complesso muscolo-tendine dipende dall’integrità strutturale delle singole fibre muscolari e dell’ECM, dalla disposizione delle fibre nel tendine e quindi dalla sua capacità di assorbire e caricare energia. È inoltre noto che la resistenza alla tensione della matrice si basa su legami crociati intra- e intermolecolari, sull’orientamento, la densità e la lunghezza delle fibrille e delle fibre del collagene.

Per meccanotrasduzione si intende un importante meccanismo in base al quale lo stress meccanico agisce sulle cellule scatenando segnali intracellulari, promuovendone la crescita e la sopravvivenza, regolandone la morfologia e l’architettura e influenzandone le risposte metaboliche.

È evidente che nei tendini e nei muscoli qualunque stimolo meccanico può dare inizio ad un adattamento che renderà il tessuto più resistente ai danni ottimizzando la trasmissione di forza.

L’ECM è un conglomerato di sostanze le cui proprietà biochimiche e biofisiche costituiscono una rete flessibile che integra le informazioni sul carico convertendole in proprietà meccaniche. Funziona da supporto per l’adesione delle cellule mediata da integrine, destroglicano e proteoglicani sulla superficie cellulare e ai recettori della tirosinchinasi. L’interazione fra l’ECM e le molecole di adesione attiva segnali intracellulari e modifica il citoscheletro. L’ECM libera anche fattori di crescita. Un ruolo dominante nei rapporti funzionali fra l’ECM e le cellule è giocato dalle integrine, che costituiscono un vero e proprio organello sensibile allo stiramento.

Le vie intracellulari della meccanotrasduzione comprendono una chinasi di adesione focale (FAK), la paxillina, una chinasi legata all’integrina (ILK-1) e la proteinchinasi attivata dalla mitosi (MAPK). Quest’ultima è attivata sia dalla contrazione muscolare sia da forze applicate dall’esterno.

I tendini sono un’organizzazione sistematica e fortemente compatta di tessuto connettivo dominata da collagene che è organizzato in fibrille, fibre, fasci di fibre e fascicoli, insieme ad altre componenti dell’ECM. Le cellule dei tendini sono fibroblasti, disposti in catene longitudinali con numerose appendici a fascia che si propagano nell’ECM e sono collegate attraverso gap junctions. Queste cellule in coltura rispondono agli stimoli meccanici producendo diversi componenti dell’ECM

Sezione del tendine. Si vede un fascio di fibroblasti circondato da connettivo lasso. Immagine laser confocale: fibroblasti adiacenti in un fascicolo; le cellule hanno prolungamenti a fascia che le uniscono. Sezione trasversale e longitudinale con evidenziazione della proteina delle gap junctions connessina 43 (verde) e dei nuclei (rosso). Esiste una rete di comunicazione fra le cellule tendinee.

Rispetto ai muscoli, i tendini sono poco vascolarizzati: l’area occupata dai vasi non supera l’1-2%, ma il flusso di sangue durante l’esercizio può aumentare fino a 7 volte, che è comunque molto meno di quanto accade nel muscolo (20 volte). La regolazione del flusso nei tendini è indipendente da quella nei muscoli.

Componenti ECM nel muscolo scheletricoIl tessuto connettivo intramuscolare ha molteplici funzioni: costituisce supporto meccanico a vasi e nervi; garantisce le risposte elastiche passive; la trasmissione di forza dalle fibre muscolari non si limita a tendini e ossa ma ha anche un andamento laterale fra cellule vicine e fra i fascicoli del muscolo. Il tessuto connettivo intramuscolare rappresenta un volume pari al 1-10% dell’intero muscolo, con molta variabilità fra muscoli. L’endomisio avvolge ogni fibra con fibre collagene sparse che permettono i movimenti durante la contrazione, il perimisio, fatto di fibre a spessore multiplo è trasversale rispetto alle fibre e le riunisce in gruppi, infine l’epimisio è composto di due strati di fibre collagene intrecciate e forma una guaina sulla superficie del tendine.

Il connettivo intramuscolare è soprattutto collagene e serve non solo per organizzare le fibre in fascicoli ma anche alla trasmissione della forza. Vi sono diversi tipi di collagene: IV: sul sarco-lemma; I e III, in piccola misura V: epi- endo- perimisio; I: intramuscolare; gli altri tipi (II, VI, IX, XI-XVI e XVIII-XIX) sono presenti in minima quantità. Le diverse quantità relative dei vari tipi di connettivo in muscoli particolari sono associate alle funzioni e al ruolo del connettivo. Nel periodo perinatale la struttura del connettivo intramuscolare si modifica molto e l’organiz-zazione strutturale cambia in poche settimane, suggerendo un’interazione fra lo sviluppo del muscolo e del connettivo intramuscolare.

Struttura del connettivo intramuscolare: microscopia a scansione dopo rimozione delle proteine muscolari. In alto a destra ingrandimento dell’endomisio che circonda una singola fibra muscolare.

Ruolo funzionale dell’ECM nel tendine

È importante riconoscere che il tendine e il connettivo intramuscolare interagiscono strettamen-te con gli elementi contrattili del muscolo per trasmettere la forza. Le dimensioni del tendine influenzano la loro capacità di essere stirati e di immagazzinare e rilasciare energia elastica durante i movimenti riducendo il costo energetico globale nel cammino e nella corsa. Diversi modelli di soppressione genica di singoli componenti dell’ECM nei topi riproducono vari aspetti della distrofia muscolare nell’uomo. Inoltre, l’imposizione di carichi compressivi modifica la composizione dell’ECM.

REGOLAZIONE DEL COLLAGENE E DI ALTRE PROTEINE DELL’ECM: INFLUENZA DEL CARICO MECCANICO. La biosintesi del collagene è caratterizzata dalla presenza di un grande numero di modificazioni post traslazionali delle catene polipeptidiche, che determinano la qualità e la stabilità delle molecole. Nella cellula, la traslazione di mRNA del preprocollagene avviene nei ribosomi e l’assemblaggio del procollagene nel reticolo endoplasmatico.

È noto che l’ECM del muscolo scheletrico risponde all’aumento di carico provocato dall’allena-mento di endurance, dall’esercizio acuto o da ipertrofia compensatoria sperimentale aumen-tando l’espressione e la sintesi di collagene nel muscolo. L’esercizio strenuo, in particolare il sollevamento di pesi che comprende componenti eccentriche provoca danno muscolare. L’esercizio acuto modifica l’attività metabolica e infiammatoria della regione peritendinea e aumenta la formazione di connettivo di tipo I durante il ricupero; quindi il carico acuto provoca adattamenti non limitati al tessuto osseo

Sintesi e degrado del collagene di tipo I. Elenco di potenziali fattori di crescita che regolano l’attivazione dei geni. TGF-b, transforming growth factor-b; IGF/IGF- BP, insulin-like growth factor e le sue proteine di legame; IL, interleukin; FGF, fibroblast growth factor; PG, prostaglandin; VEGF, vasoactive endothelial growth factor. Mitogen-activated protein kinase (MAPK) ha un ruolo fondamentale nell’avviare l’attività genica mentre le metalloproteinasi (MMP) regolano la degradazione del collagene in funzione del carico meccanico

La risposta iniziale all’allenamento è un aumento del turnover del collagene I, seguito da più intensi processi anabolici, Lo schema di stimolazione della sintesi e del degrado con predominanza di processi anabolici è analogo a quanto accade alle proteine muscolari in risposta al carico.

EFFETTI DELL’IMMOBILIZZAZIONENel ratto si è dimostrata una riduzione dell’attività enzimatica della biosintesi del collagene sia nel muscolo sia nel tendine, ma la quantità di collagene non cambia

DEGRADAZIONE DEL TESSUTO CONNETTIVO NEL TENDINE E NEL MUSCOLO: EFFETTI DEL CARICO MECCANICOLa degradazione del collagene è una tappa obbligatoria del turnover e del rimodellamento del tessuto in funzione del carico. Vi sono vie intra ed extracellulari che utilizzano rispettivamente la fagocitosi lisosomiale e le proteinasi dell’ECM. Nell’ambiente extracellulare la degradazione del collagene è effettuata da MMPs che sono generalmente presenti in forma di precursori, mentre questi enzimi (e i loro inibitori, le TIMPs) non contribuiscono alla fagocitosi lisosomiale.Le TIMPs sono spesso attivate contemporaneamente alle MMPs in risposta alla stimolazione fisica, indicando che c’è allo stesso tempo stimolazione ed inibizione della degradazione. È probabile che le MMPs vengano prima e che le TIMPs funzionino come regolatori che limitano la degradazione. La possibilità di allungare i tendini varia dall’1-3% (m. estensore) al 3-4% (m. flessore), fino al 16% del tendine d’Achille (coniglio). In cadaveri umani la massima estensibilità arriva al 6%. La parte libera del tendine permette accumulo e rilascio di energia elastica mentre l’aponeurosi serve alla trasmissione vera e propria delle forze contrattili.

Il rimodellamento dei tendini comprende aspetti quantitativi (sezione) e/o qualitativi (resistenza alla tensione). Gli effetti dell’allenamento sono variabili sulle due componenti che spesso non coesistonoCon l’invecchiamento e nel diabete i legami crociati non specifici (mediati dalla condensazione di uno zucchero riducente con gruppi aminici) aumentano la glicazione delle proteine tendinee portando ad una maggiore resistenza tensile ma ad un irrigidimento. Tutto questo riduce la capacità di adattamento e il turnover del collagene e stimola i fibroblasti aumentando la fibrosi.È dimostrato che lo stiramento passivo non modifica le proprietà viscoelastiche dei tendini.Gli adattamenti indotti dal carico sull’ECM, in particolare la sintesi di collagene, dipendono da ormoni regolatori e fattori di crescita e anche da alcuni canali ionici. Ruolo fondamentale di FGF, TGF-b, IL-1, IL-6, IGF, IGF-BP (binding-protein)

An overview of the endocrinology of skeletal muscleMelinda Sheffield-Moore and Randall J. UrbanTRENDS in Endocrinology and Metabolism Vol.15 No.3 April 2004

Gli ormoni sono fondamentali regolatori del metabolismo muscolare in condizioni normali e patologiche. Il muscolo scheletrico dell’uomo arriva al 40-45% del peso corporeo ed è uno dei tessuti più attivi metabolicamente, ma le influenze metaboliche che da esso derivano sono spesso trascurate: il muscolo è una grossa riserva di substrati metabolici ed un importante bersaglio degli ormoni. Il muscolo è un deposito praticamente infinito di proteine e aminoacidi e fornisce precursori del glucosio attraverso gluconeogenesi. L’accumulo di proteine si verifica solo se la sintesi supera la degradazione, mentre c’è perdita quando avviene il contrario. Il bilancio omeostatico del muscolo dipende da: alimentazione, esercizio, età, malattia. Il processo di rimodellamento è influenzato dagli ormoni: testosterone, GH, insulina, IGF-I e glucocorticoidi.

Ormoni anabolizzanti: stimolano la crescita del muscolo aumentando la sintesi delle proteine, riducendone la degradazione o facendo entrambe le cose.Gli androgeni hanno diverse azioni biologiche perché hanno come bersaglio sia tessuti riproduttivi, sia altri tessuti, come i muscoli. Malattie che aumentano il catabolismo muscolare (AIDS) correlano con gli androgeni circolanti. Si stima che il 50% dei maschi >50 anni siano ipogonadici, anche se spesso asintomatici. L’uso di agenti anabolizzanti per l’ipogonadismo tipico o per quello traumatico è clinicamente giustificabile.

Lo scopo principale della terapia ormonale negli anziani è di mantenere o migliorare la forza muscolare. Il testosterone in anziani ipogonadici rallenta la degradazione proteica e aumenta la sintesi, ma spesso aumenta molto di più la massa muscolare che la forza: questa tende comunque a diminuire di più della massa negli anziani. Anche le donne subiscono queste alterazioni muscolari con l’età: i livelli di testosterone circolante diminuiscono di circa la metà da 20 a 40 anni. La terapia sostitutiva è efficace nelle donne pre menopausa, ma molto di più dopo 65 anni.

GH e IGF-1 – nonostante credenze popolari sulle straordinarie proprietà del GH i suoi effetti sull’anabolismo sono modesti. L’abuso ne deve comunque essere scoraggiato, ma i suoi effetti potenziali vanno ancora studiati. Supplementazioni di rhGH per 5 anni hanno aumentato la forza dei flessori del ginocchio e la presa della mano, con maggiori effetti sui muscoli prossimali e minori nelle femmine: data la lentezza della risposta, rispetto a quella degli androgeni, l’effetto anabolizzante del GH è stato indicato come minimo. Numerose controindicazioni derivano dall’effetto gluconeogenetico, che induce al diabete. Più importante la sua azione stimolante sull’IGF.

Insulina e muscolo scheletrico – L’insulina non si limita a regolare il metabolismo glucidico e lipidico, ma interferisce con il metabolismo proteico nel muscolo, per il quale è un potente stimolo, purché siano disponibili aminoacidi.

Estrogeni e muscolo scheletrico – Gli effetti degli estrogeni sono stati poco studiati. Benché il muscolo possieda recettori per gli estrogeni, questi non hanno sostanzialmente effetti sulla massa e forza muscolare nelle donne in menopausa. Gli estrogeni anche di origine extragonadica, anche nei maschi, sono molto importanti per l’omeostasi dell’osso.Ormoni catabolici – glucocorticoidi e muscolo scheletrico. Insulti traumatici gravi, in particolare le ustioni, iniziano una risposta ipermetabolica, con forte aumento del cortisolo e diminuzione di androgeni: parte la degradazione proteica, con fortissimo turnover e fuoruscita di aminoacidi dalle riserve intracellulari. La perdita di massa magra non si contrasta nemmeno con una dieta iperproteica.Miostatina e muscolo scheletrico – La miostatina (GrowthDifferentationFactor-8 ) appartiene ai TGF; è una proteina che limita l’accrescimento dei muscoli, dove può raggiungere elevate concentrazioni: la sua importanza è stata riconosciuta quando si è capito che la soppressione del suo gene caratterizza una razza di bovini che hanno il doppio della massa muscolare; topi con deficienza di miostatina hanno muscoli ipertrofici ed inoltre hanno maggiore atrofia da immobilizzazione. La somministrazione di cortisolo stimola la produzione di miostatina.

Functional, structural and molecular plasticity of mammalian skeletal muscle in response to exercise stimuliMartin FlückThe Journal of Experimental Biology 209, 2239-2248

La malleabilità del muscolo scheletrico che ne permette il rimodellamento strutturale secondo le esigenze è un fenomeno particolarmente impressionante nel regno animale. Questa plasticità si traduce negli adattamenti di forza, resistenza e velocità in seguito a variazioni dei carichi: questo accade negli atleti nei quali le modificazioni fenotipiche che massimizzano le prestazioni specifiche sono impressionanti. Un aspetto importante della plasticità è la sua specificità per cui l’intensità del carico e il numero delle contrazioni muscolari costituiscono gli stimoli per gli adattamenti. Quindi il profilo delle perturbazioni muscolari esercita un controllo essenziale sul fenotipo muscolare. Questa rassegna indica le scoperte più recenti sul coinvolgimento dell’espressione genica in risposta a stimoli di esercizio ripetitivi.

Adattamento all’allenamento di endurance – Le fibre si differenziano verso un fenotipo con alto volume mitocondriale, aumentata densità capillare e deviazione verso fibre lente. Nell’insieme, queste modificazioni contribuiscono alla massimizzazione del trasporto di substrati, all’aumento della capacità respiratoria e delle caratteristiche contrattili nel corso di contrazioni lente e frequenti che caratterizzano l’esercizio di endurance. Alla base degli aggiustamenti muscolari sta l’espressione genica in risposta all’attività fisica: singole perturbazioni omeostatiche indotte dall’esercizio si integrano nella produzione di copie di geni diffusibili (mRNA) che stimolano la traslazione, nell’apparato ribosomico, delle proteine codificate.

Integrazione di stimoli fisiologici nella risposta fenotipica. Le perturbazioni omeostatiche indotte dall’esercizio si integrano regolando le alterazioni della trascrizione genica. Le copie di geni diffusibili istruiscono il rimodellamento muscolare mediante l’assemblaggio delle proteine codificate.

Processi metabolici nelle fibre muscolari. Il processo biochimico principale che genera energia nel muscolo è la combustione di acidi grassi e carboidrati. I carboidrati sono impor-tati attraverso processi facilitati dai capillari alle miocellule dove sono depositati come trigliceridi o glicogeno intracellulare per esse-re utilizzati in seguito. La metabolizzazione degli acidi grassi è un processo obbligato-riamente aerobico che avviene nei mitocondri attraverso beta ossidazione e ciclo di Krebs.

Al contrario, la conversione metabolica dei carboidrati per glicolisi nel citoplasma è indipenden-te dall’ossigeno e non è necessariamente legata alla respirazione dei mitocondri. Questo porta alla produzione anaerobica di lattato. La scomposizione delle catene organiche nei mitocondri produce equivalenti riducenti (e CO2), che portano alla generazione di ATP ossigeno-dipendente, accoppiata alla catena respiratoria. Le sigle nei riquadri sono proteine cruciali per il trasporto, il deposito e la conversione nelle vie metaboliche del muscolo. LPL endoteliale entra nel trasporto di acidi grassi (FA) dai vasi attraverso l’interstizio fino al compartimento intracellulare. H-FABP trasporta FA nella cellula. HSL libera FA da IMCL. CPTI è un enzima indispensabile per l’assun-zione di FA nella matrice mitocondriale. Gli enzimi del ciclo di Krebs Fum e SDH e i costituenti della catena di trasporto degli elettroni NADH6, COX1 e COX4 realizzano la produzione di ATP. PFKM rappresenta un passaggio principale per l’ingresso dei carboidrati nella via glicolitica.

I livelli di mRNA delle principali subunità respiratorie mitocondriali sono significativamente correlati con il volume dei mitocondri, quindi l’adattamento locale del numero dei trascritti mitocondriali è co-regolato e accoppiato alla respirazione massimale del sistema (VO2max) durante l’esercizio. Analisi del tibiale anteriore di biatleti competitivi e controlli rivela aumento contemporaneo di transcritti genici dei fattori per la mobilizzazione degli acidi grassi. Quindi l’allenamento aerobico migliora la respirazione mitocondriale e aumenta la capacità del muscolo di importare acidi grassi dal sangue. La combinazione degli adattamenti espressionali in tappe successive della via ossidativa nei muscoli allenati riflette il livello locale di coordinamento che contribuisce al miglioramento sistemico delle capacità aerobiche. La corrispondenza delle variazioni di espressione genica con adattamenti funzionali della via ossidativa dopo allenamento indica un preciso circuito molecolare nel muscolo che sta alla base dell’aumentata resistenza alla fatica. Questa relazione implica uno specifico meccanismo che coordina gli adattamenti genici in base al reclutamento dei muscoli. L’adattamento del tessuto muscolare all’aumento dell’attività contrattile avviene probabilmente nella fase di ricupero dopo ogni episodio di esercizio defatigante. Questo comporta un eccesso di adattamenti cellulari che produce l’accumulo di risposte rimodellanti incrementali dopo ogni episodio e ripetendo gli esercizi si arriva al miglioramento della performance. Con tecniche particolari si può seguire l’andamento nel tempo della produzione di mRNA: si è dimostrata una transitoria stimolazione genica 8 ore dopo un esercizio al cicloergometro di 30 min. Al contrario, una volta che gli adattamenti muscolari siano stabili dopo 6 settimane di allenamento questa risposta genica è attenuata: questo è dovuto all’aumento stabile dei livelli di mRNA e spiega la progressiva riduzione dell’efficacia dell’allenamento in soggetti allenati.

Microadattamenti dell’espressione di trascritti in relazione all’allenamento. Modello dell’aumento dell’RNA e della performance con la ripetizione dell’esercizio. Ogni episodio provoca un eccesso di livello di trascrizione nelle fasi di ricupero. Le linee rappresentano l’evoluzione dei livelli di RNA e della performance

Time course della risposta muscolare all’esercizio in condizioni di normo (A) e ipossia (B). In A e B sono riportati le variazioni significative di trascritti della via ossidativa. I principali fattori del citoscheletro, titina e desmina non sono modificati, a dimostrare la specificità ella risposta

La stimolazione della trascrizione degli enzimi legati al metabolismo dei grassi è attenuata nell’esercizio in ipossia.Gli aggiustamenti strutturali e funzionali (rimodellamento) durante l’allenamento derivano dall’accumulo di risposte nell’espressione genica agli esercizi ripetuti. Il complesso stimolo costituito dall’esercizio provoca una serie di perturbazioni omeostatiche nei muscoli interessati. Esse sono recepite come precisi segnali di processo e si traducono nell’attivazione della trascrizione genica o nella sua stabilizzazione. Le perturbazioni sono di tipo metabolico, meccanico e ormonale.Sintetizzando i risultati presentati si conclude che una complessa risposta dei geni riflette la specificità dell’adattamento muscolare a diversi tipi di esercizio. Vi è una co-regolazione della via ossidativa, dei cromosomi e dei genomi. L’evidente correlazione fra famiglie di geni e le relazioni struttura-funzione rivela l’esistenza di un preciso circuito molecolare che regola la via del metabolismo ossidativo e di un meccanismo a soglia (switch = interruttore) che coordina le risposte locali all’allenamento

http://www.unm.edu/~lkravitz/index.htmlThe Mystery of Skeletal Muscle HypertrophyRichard Joshua Hernandez, B.S. and Len Kravitz, Ph.D. 

L’esercizio, lavoro muscolare compiuto contro un carico progressivamente più grande, provoca l’aumento della massa e della sezione dei muscoli: questo si chiama ipertrofia. Ma perché la cellula muscolare cresce e come fa a crescere? Nonostante una mole notevole di ricerche, non è ancora del tutto chiaro il quadro completo (e molto complesso) del graduale adattamento del muscolo a carichi crescenti.

L’ipertrofia muscolare è l’aumento della massa e dell’area di sezione dei muscoli. L’aumento di dimensioni è dovuto ad un aumento dello spessore (non della lunghezza) di tutte le fibre del muscolo. Sia il muscolo scheletrico sia quello cardiaco si adattano a carichi di lavoro regolari crescenti che superano le capacità pre-esistenti del muscolo. Il cuore aumenta la sua funzione di pompa mentre il muscolo scheletrico diventa più efficiente nel trasmettere forza ai segmenti ossei attraverso i tendini.

Le cellule satellite facilitano l’accrescimento, la manutenzione e la riparazione del muscolo danneggiato (non il cuore). Sono chiamate satelliti perché si trovano sulla superficie esterna delle fibre muscolari fra il sarcolemma e la lamina basale; sono mononucleate e quasi prive di citoplasma. Normalmente sono dormienti e sono attivate da qualsiasi tipo di trauma o danno muscolare. Quando si svegliano proliferano e si spostano sul muscolo danneggiato, si fondono con le fibre preesistenti aumentando il materiale nucleare che serve a rigenerare la fibra.

Il numero di cellule satelliti presenti in un muscolo dipende dal tipo di fibre muscolari: le fibre lente ne hanno 5 o 6 volte di più di quelle veloci.

Il trauma provocato da esercizi di resistenza (soprattutto eccentrici) mette in moto il sistema immunitario: invasione di macrofagi con secrezione di citochine, fattori di crescita e altre sostanze, che richiamano altre cellule del sistema immunitario.

Le tre citochine importanti in questo contesto sono: IL-1, IL-6, TNF (chiamate citochine proinfiammatorie). Promuovono la dissociazione delle proteine, la rimozione di detriti cellulari e la produzione di prostaglandine.

I fattori di crescita sono proteine altamente specifiche che stimolano la differenziazione e la divisione di determinate cellule. Particolarmente importanti: IGF, FGF e HGF (epatociti). Questi fattori collaborano nella stimolazione delle cellule satelliti.

Ormone della crescita (GH). Stimola l’IGF e l’attivazione, proliferazione e differenziazione delle cellule satelliti. Gli effetti ipertrofici dell’assunzione di GH come anabolizzante sembrano legati più a ritenzione di liquidi che all’aumento delle proteine contrattili.

Cortisolo. Ormone steroideo legato allo stress che stimola la gluconeogenesi anche attraverso il catabolismo proteico. Per quel che riguarda l’ipertrofia, inibendo la sintesi delle proteine esso ha un effetto negativo.

Testosterone. È il principale ormone androgeno e ha i maggiori effetti sugli organi sessuali maschili, ma anche su sistema nervoso, muscolo scheletrico, midollo osseo, cute e peli del corpo. Sui muscoli ha un importante effetto anabolico, che contribuisce anche alle differenze di genere sulla composizione corporea. Stimola l’anabolismo proteico e pertanto l’ipertrofia.

Fibre di tipo I. Si ipertrofizzano notevolmente con sovraccarichi progressivi, non solo con l’esercizio di resistenza ma anche in qualche misura con l’esercizio aerobico.

Fibre di tipo IIa. Le loro percentuale aumenta con l’allenamento per trasformazione di IIb in IIa. Il disuso provoca la trasformazione inversa.

Fibre di tipo IIb. Si convertono in IIa con l’esercizio di resistenza che aumenta complessivamente le capacità ossidative del muscolo migliorando la resistenza alla fatica.

La prima cellula satellite di mammifero: sezione traversa di una fibra del sartorio di ratto … si vedono le membrane contigue di una cellula satellite (sp) e di una fibra muscolare (mp); la membrana basale (bm) si prolunga sopra la congiunzione delle membrane delle due cellule (microscopio elettronico x22.000)

Known knowns, known unknowns and unknown unknownsConclusioni: fatti noti, consapevolmente non noti e inconsapevolmente non notiCosa sappiamo dunque dopo 50 anni di ricerca sulle cellule satellite del muscolo? Sostanzialmente, che si tratta di cellule staminali residenti, che forniscono mioblasti per l’accrescimento del muscolo, l’omeostasi, l’ipertrofia e la riparazione. Poco si sa di come siano mantenute in uno stato quiescente, mentre si comincia a capire come siano attivate per entrare nel ciclo cellulare. Una modalità relativamente nuova è la regolazione dei geni da parte di miRNA. Analogamente, si cominciano ad avere informazioni sul ruolo della nicchia sublaminale delle cellule satelliti. È molto controverso se le cellule satelliti siano eterogenee o costituiscano un unico pool, perché alcune si differenziano mentre altre si moltiplicano conservando la riserva di cellule staminali.

Skeletal muscle remodelingMatthew J. Potthoff, Eric N. Olson and Rhonda Bassel-DubyCurrent Opinion in Rheumatology 2007, 19:542–549

Il muscolo scheletrico sembra omogeneo nei preparati istologici, ma invece si compone di una popolazione eterogenea di miofibre che differiscono per proprietà metaboliche e contrattili. Le miofibre sono classificate sulla base dell’espressione genica delle catene pesanti della miosina (MHC). Le fibre di tipo I, lente, esprimono MHC I/b, si contraggono lentamente sono ricche di mitocondri e mioglobina, hanno metabolismo ossidativo e sono resistenti alla fatica. Le fibre di tipo II, veloci, esprimono MHC di tipo II, si affaticano rapidamente, si contraggono velocemente e hanno metabolismo glicolitico o ossidativo. L’espressione genica delle miofibre può cambiare in risposta alle richieste dell’ambiente mediante l’attivazione di segnali trasduzionali che promuovono variazioni adattative della citoarchitettura e della composizione proteica. Le miofibre primarie che esprimono miosine di tipo adulto o embrionale si stabilizzano precocemente durante lo sviluppo, mentre le miofibre adulte si stabilizzano dopo la nascita e le miosine adulte sostituiscono quelle embrionali. Hanno un alto grado di plasticità e possono rimodellarsi fenotipicamente in risposta a stimoli specifici, come il carico contrattile, l’ambiente ormonale e malattie sistemiche. Per esempio, l’allenamento trasforma preesistenti fibre veloci nel fenotipo ossidativo e al contrario una riduzione dell’attività neuromuscolare provoca la trasformazione inversa. È stato stabilito che specifici schemi di impulsi condotti dai nervi motori esercitano un’influenza fenotipica sui muscoli che innervano

La concentrazione intracellulare di calcio si eleva in risposta a stimoli fisiologici e attiva il fattore nucleare calcineurina delle cellule T attivate (NFAT) e la via fattore stimolante i miociti 2 (MEF2)-istone deacetilasi (HDAC), PGC-1, peroxisome proliferator-activated receptor coactivator-1; RCAN1, regulator of calcineurin 1.

L’attivazione della via IGF/Akt/mTOR (mammalian target of rapamycin) stimola l’ipertrofia e antagonizza la perdita di massa muscolare. Nell’uomo Akt, mTOR e glicogeno sintetasi aumentano in seguito ad un allenamento di resistenza che induce ipertrofia muscolare. mTOR è una chinasi attivata da Akt e regola la sintesi proteica sulla base della disponibilità di sostanze nutritizie. È un elemento importante nella regolazione della massa muscolare dopo la nascita specialmente quando aumenta il carico sui muscoli. L’atrofia muscolare che capita con l’invecchiamento, l’immobilizzazione, i voli spaziali, i traumi muscoloscheletrici e molte malattie cataboliche, è dovuta all’aumento della distruzione proteica mediato dalla via ubiquitina proteasoma. Sono aumentati due geni: muscle RING finger 1 (MuRF1) and muscle atrophy F-box (MAFbx/atrogin-1). Vi sono molte prove che uno stato infiammatorio prolungato (età e malattie croniche) provoca perdita di muscolo. Questo indica che le terapie che controllano l’infiammazione possono anche curare l’atrofia muscolare.

THE MOLECULAR BASIS OF TRAINING ADAPTATION(Coffey VG & Hawley JA, Sports Med 2007; 37: 737)

CONTROL OF THE SIZE OF THE HUMAN MUSCLE(Rennie MJ, Wackerhage H, Spangerburg EE & Booth FW, Annu Rev Physiol 2004; 66: 799)

I muscoli che non lavorano perdono massa e forza (ipotrofia, atrofia; sarcopenia)

I muscoli sottoposti a tensione (attiva – contrazione, passiva – stiramento) aumentano massa e forza (ipertrofia)

I muscoli sottoposti ad attività prolungata di bassa intensità aumentano la resistenza alla fatica e il consumo di ossigeno

Different modes of hypertrophy in skeletal muscle fibersAngelika C. Paul and Nadia Rosenthal

Mouse Biology Program, European Molecular Biology Laboratory, 00016 Monterotondo-Scalo, Rome, Italy

The Journal of Cell Biology, Volume 156, Number 4, February 18, 2002 751–760

Nei roditori, i muscoli delle gambe più utilizzati, come il soleo, l’estensore lungo delle dita e i muscoli della coscia hanno fibre che corrono da un tendine all’altro, con una sola giunzione neuromuscolare in mezzo, ma in animali più grandi molti muscoli hanno placche motrici multiple e fibre che non si prolungano fra i due tendini ma terminano fra i fascicoli. Questo capita nel coniglio, gatto, capra, cavallo, bovini, rane e polli.Nell’uomo e nel macaco i muscoli degli arti sono per lo più a innervazione singola e le fibre, fino ad una lunghezza di 13 cm, si inseriscono fra le due terminazioni tendinee. Nell’uomo soltanto il sartorio ed il gracile con fibre che arrivano a 50 cm, hanno innervazione multipla. In risposta a stimoli ipertrofizzanti, le fibre dei muscoli a innervazione singola possono aumentare di diametro per aumentare il numero di miofibrille in parallelo. Oppure, quelle che terminano fra i fascicoli si possono allungare dando l’impressione che aumenti il numero di fibre e fibrille in parallelo.

Precipitazione dell’AChE per mostrare le placche motrici nelle fibre a innervazione singola o multipla. A) gracile posteriore di topo con una sola placca; B) gracile anteriore con due placche; C) giunzione neuromuscolare marcata con precipitazione dell’AChE; D) giunzione mio-mionale

Topi transgenici per fattore di crescita (MLC)/insuline-like hanno fibre a innervazione singola ipertrofiche con aumento del diametro delle fibre e della massa corporea. Anche la corsa spontanea sulla ruota nei topi aumenta l’area delle fibre del gastrocnemio e del tibiale anteriore che hanno innervazione singola. Abbiamo messo a punto un programma di esercizio su ruota e dopo un periodo iniziale i topi di entrambi i genotipi (WT e MLC/mIGF-1) correvano per 6 ore facendo 5 km al giorno e li abbiamo lasciati allenarsi per 4 settimane, dopo di che abbiamo analizzato l’ipertrofia muscolare. Il peso corporeo non è cambiato nei WT mentre quelli transgenici pesavano di più e aumentavano dopo l’allenamento.

Ipertrofia muscolare di topi inattivi e allenati WT e mIGF. A) confronto del peso corporeo; B) l’area di sezione è aumentata in tutti i muscoli

I topi transgenici avevano un’area di sezione maggiore in tutti i muscoli rispetto a WT e IGF-EX avevano la più grande, ad eccezione del gracile anteriore, che non era diverso da quello WT.

Modificazioni del tipo di fibre con l’ipertrofia da esercizio. Gli effetti dell’ipertrofia transgenica o indotta dall’esercizio sulle modificazioni delle fibre è stato studiato sulla base della percentuale di fibre con catena pesante della miosina (MHC) di tipo I, II B e II A/X nei muscoli gracile anteriore e posteriore. Le modificazioni dovute all’ingegneria genetica erano minime, mentre erano significative in seguito all’esercizio. Nel gracile anteriore diminuivano le fibre I e IIA/X, mentre aumentavano le IIB. Quindi è l’esercizio, non la modificazione genetica che determina il tipo di fibre.

Le modificazioni del tipo di fibra nei gracili anteriore e posteriore sono influenzate dall’esercizio, non dalle modificazioni genetiche. A) Il gracile anteriore aumenta le fibre IIB a scapito delle altre. B) anche nel gracile posteriore prevalgono le fibre IIB. È evidente che è l’esercizio a determinare il tipo di fibra

Specifiche modalità di ipertrofia nei muscoli ad innervazione singola o multiplaIn risposta ad uno stimolo ipertrofico le fibre dei muscoli ad innervazione singola, come il gracile posteriore aumentano di diametro. Tuttavia, le fibre che terminano fra i fascicoli, come nel gracile anteriore si possono anche allungare aumentando di fatto il diametro. Per distinguere le due modalità, abbiamo confrontato il numero di fibre in sezioni traverse di gracile anteriore, posteriore e soleo dei quattro tipi di ratto e abbiamo calcolato il diametro medio delle fibre. Si noti che i m. gracili hanno fibre parallele che consentono una sezione perpendicolare di tutte le fibre, mentre il soleo ha una disposizione pinnata.Il gracile posteriore ha un aumento dell’area delle fibre, ma non del loro numero: quello dei topi IGF-EX è massimo, e questo conferma che gli effetti dei geni e dell’esercizio sull’ipertrofia sono additivi. Il soleo aumenta poco sia il numero sia il diametro delle fibre, ma questi piccoli aumenti, esaltati dall’effetto della pinnazione, fanno aumentare il diametro totale del muscolo.

Al contrario, il conteggio del numero di fibre nel gracile anteriore risulta aumentato in tutti i casi di ipertrofia: le fibre in più possono essere dovute all’aggiunta di fibre nuove oppure all’allungamento di fibre a terminazione fra i fasci pre-esistenti. Per distinguere le due modalità abbiamo contato il numero totale di fibre dopo digestione con acidi che rimuove i connettivi e permette la separazione fisica delle fibre all’interno del muscolo, anche quelle che terminano fra i fasci. Il numero totale delle fibre non risulta aumentato, mentre aumenta quello in un sezione a metà muscolo perché le fibre si sono sovrapposte allungandosi ma non ci sono fibre neoformate.

Numero e diametro delle fibre muscolari. A) il numero appare aumentato solo nel gracile anteriore non nel posteriore ne’ nel soleo. B) l’area media delle fibre aumenta nel gracile posteriore e anteriore. Quindi i muscoli ad innervazione singola rispondono ai segnali ipertrofici aumentando l’area e non il numero delle fibre: al contrario il gracile anteriore aumenta il numero di fibre in sezione traversa

Modelli delle diverse modalità di ipertrofia muscolare. A) i muscoli ad innervazione singola si ipertrofizzano aumentando il diametro delle fibre. B) le fibre a terminazione intrafascicolare in un moscolo con due o più placche motrici si ipertrofizza allungandosi e così aumenta il numero di fibre in sezione traversa

ALLENAMENTO (TRAINING)

Effetti specifici dell’aumento di una funzione specifica:miglioramento della funzione specifica

VARIABILI: intensità durata

frequenza

Molecular Mechanisms of Muscle Plasticity with ExerciseHans Hoppeler,*1 Oliver Baum,1 Glenn Lurman,1 and Matthias Mueller1Compr Physiol 1:1383-1412, 2011

Il fenotipo del muscolo scheletrico va incontro a notevole malleabilità a seconda dell’uso. Un esercizio di endurance di bassa intensità porta a variazioni qualitative del tessuto muscolare caratterizzate soprattutto da un aumento delle strutture che sostengono l’apporto ed il consumo di ossigeno. Invece l’esercizio di forza con carichi elevati fa crescere le fibre muscolari in particolare le proteine contrattili. Nell’esercizio a bassa intensità, i segnali prodotti dallo stress provocano una regolazione aumentata a livello trascrizionale di una varietà di geni: la sensibilità al Ca2+ ed allo stato energetico del muscolo attraverso AMPK sono i fattori più importanti. Diverse reti di segnali parallele convergono sul co-attivatore trascrizionale PGC-1α, che è considerato il coordinatore della maggior parte dei processi post-trascrizionali. L’allenamento con carichi elevati è dominato dalla sopra regolazione traslazionale controllata da mTOR, che dipende da una cascata dipendente da insulina/fattore di crescita e da fattori meccanici e nutrizionali. L’accrescimento muscolare indotto dall’esercizio è ulteriormente rafforzato dal reclutamento di DNA per attivazione e incorporazione di cellule satellite. Alcuni nodi cruciali dell’esercizio di forza e di endurance sono comuni per cui le due modalità sono interdipendenti. La robustezza dei segnali legati all’esercizio dipende dal fatto che i segnali sono multipli e paralleli con un controllo a feedback e feedforward su livelli singoli o multipli di segnale.

Se oggi possediamo una buona conoscenza descrittiva dei meccanismi molecolari che controllano la plasticità fenotipica dei muscoli, ci manca di comprendere le esatte interazioni fra elementi delle reti di segnale e quindi non abbiamo modelli per prevedere il risultato dei segnali delle reti complessive. La più grande sfida attuale consiste nel verificare ed applicare le conoscenze acquisite attraverso modelli per prevedere la plasticità fenotipica nell’uomo.Osservando il regno animale, i tessuti muscolari si presentano in diversi modi e condizioni strutturali distinte a seconda delle caratteristiche locomotorie. Animali sedentari (capre, bovini) hanno tessuti muscolari con pochi capillari e scarsa attività ossidativa, cioè con un basso contenuto di mitocondri, mentre animali atletici come i cani, le antilopi e i cavalli sono ben equipaggiati per il lavoro di endurance con abbondanti capillari e mitocondri.La funzione e il fenotipo dei muscoli sono in relazione con la specifica modalità di attivazione che ognuno esplica. L’uso ripetuto e intenso del tessuto muscolare (allenamento all’esercizio) provoca caratteristiche modificazioni strutturali e funzionali del muscolo che migliorano la performance meccanica per la quale un particolare muscolo è impiegato.Si distingue classicamente fra l’allenamento di endurance (stimolo a basso carico e molte ripetizioni) e l’allenamento di forza(alto carico – poche ripetizioni).

I protocolli classici di allenamento di endurance provocano un aumento del VO2max, che è una

conseguenza adattativa combinata di modificazioni del sistema cardiovascolare e dei muscoli allenati. Nel muscolo, troviamo che il fenotipo contrattile vira verso un aumento dell’espressione di miosine lente, talvolta con un cambiamento del tipo di fibra. L’area di sezione delle fibre cambia poco salvo dopo prolungata immobilizzazione; la capillarità è aumentata per assecondare il maggior fabbisogno di ossigeno da parte dei mitocondri muscolari.L’espansione del compartimento mitocondriale del muscolo può essere rapida con l’allenamento di resistenza, soprattutto in soggetti prima sedentari: si sono visti aumenti >30% in 6 settimane. Gli aumenti della densità mitocondriale sono in genere accompagnati da aumenti simili degli enzimi del ciclo di Krebs e della fosforilazione ossidativa, come succinil deidrogenasi (SOD), citrato sintetasi (CS) e ossidasi del citocromoC (Cytox). Inoltre, l’allenamento di resistenza sposta il metabolismo verso i substrati lipidici e un aumento dei depositi intramiocitici di lipidi (IMLC) e di carboidrati.

I protocolli classici di allenamento di forza modificano soprattutto la sezione traversa del muscolo e delle fibre. Bisogna ricordare che si ottengono importanti aumenti della forza (soprattutto all’inizio degli allenamenti) con adattamenti del controllo neuromuscolare: pertanto i primi guadagni funzionali avvengono con scarse modificazioni strutturali. Continuando l’allenamento, si assiste ad una aumento della sezione traversa, relativamente più cospicua in prossimità dell’origine e dell’inserzione del muscolo: questo guadagno è dovuto all’aumento del numero delle miofibrille e le fibre veloci (tipi IIA e IIX) contribuiscono di più all’aumento. L’espressione della catena pesante della miosina può essere modificata dall’allenamento di forza, ma l’entità e la direzione delle modificazioni sembrano dipendere dalla specificità dell’esercizio. I mitocondri e i capillari sono poco influenzati e quindi il volume dei mitocondri e la densità dei capillari sono scarsi nei muscoli allenati alla forza; il metabolismo rimane dominato dai carboidrati e aumenta il contenuto relativo di glicogeno. L’esercizio concentrico provoca ipertrofia delle fibre muscolari, mentre quello eccentrico potrebbe indurre iperplasia muscolare con neoformazione di fibrille.

Qualunque tipo di esercizio consiste in una miscela specifica di fattori di stress che coinvolgono il tessuto muscolare quando è attivo: i fattori più evidenti sono il carico meccanico, gli aggiustamenti ormonali , l’attivazione neuronale e alterazioni metaboliche. Ognuno di essi è legato a diverse reti di segnali nelle cellule muscolari, che trasferiscono informazioni sulle circostanze esterne nelle quali il muscolo è chiamato ad operare. Questi segnali hanno un duplice scopo: servono ristabilire l’omeostasi intracellulare alterata dall’attività muscolare ma anche a modificare il tessuto rendendolo più adatto a sopportare analoghe condizioni di lavoro in seguito (adattamento). Considerando i segnali per le cellule muscolari bisogna distinguere le risposte acute da quelle di lunga durata. Queste ultime consistono in variazioni dell’accumulo di fattori di trascrizione e molecole di segnale, nonché in alterazioni della composizione proteica. Queste producono alterazioni strutturali del muscolo e costituiscono il substrato dell’adattamento all’allenamento.L’uomo ha le stesse reti di segnali dei modelli animali, quali topi e ratti, usati per la ricerca, tuttavia molti esempi dimostrano una evidente specie-specificità della risposta muscolare agli stimoli esterni.

Schema dell’integrazione dei segnali nel muscolo in risposta all’esercizio. La stimolazione del tessuto muscolare da episodi di esercizio è integrata da complesse reti di segnali che modificano la quantità di proteine, l’attività e la localizzazione regolando meccanismi trascrizionali o traslazionali.

Allo scopo di studiare il ruolo dei singoli componenti delle reti di segnale, la ricerca si è avvalsa recentemente di esperimento di soppressione (knock out) o aumento (knock in) genetico o di sostanze farmacologiche per bloccare o esaltare particolari vie. L’inconveniente di questo approccio è che esso non tiene conto della natura transitoria dello stress da esercizio perché qualunque funzione soppressa o esaltata dall’ingegneria genetica è costantemente presente, o per lo meno dura a lungo.ALLENAMENTO DI RESISTENZA (ENDURANCE)Il marchio funzionale dell’allenamento di resistenza è la capacità di rendere l’organismo in grado di mantenere una produzione di potenza aumentata per periodi prolungati (minuti o ore) o, più in generale, di diventare più resistente alla fatica. A livello del muscolo, questo ha bisogno del meccanismo ossidativo, perciò i mitocondri devono aumentare. Un aumento del volume (o della massa) dei mitocondri consente al muscolo di generare più ATP in maniera aerobica, utilizzando come substrati carboidrati o lipidi. All’aumento della capacità del muscolo di utilizzare l’ossigeno si associa un aumento quasi proporzionale della rete dei capillari che portano ossigeno e substrati alle cellule muscolari. Tutto questo comporta anche adattamenti centrali per il trasporto dell’ossigeno. I tessuti muscolari hanno anche altri meccanismi per aumentare la capacità dei endurance: siccome il rendimento della contrazione muscolare può essere aumentato rallentando l’attività dell’ATPasi actomiosinica, l’allenamento di resistenza si associa spesso con un rallentamento delle fibre muscolari con riduzione del costo della produzione di forza e quindi un passaggio a fibre lente.

Questo rappresenta la dimostrazione diretta di una regolazione trascrizionale dell’espressione genica nell’uomo in seguito all’allenamento di endurance. L’aumento ripetuto della trascrizione di geni metabolici che produce elevati livelli di mRNA nei muscoli allenati à responsabile degli adattamenti cellulari dovuti all’allenamento. Ci sono buone prove che l’iperregolazione trascrizionale è il meccanismo principale dell’aumento del contenuto di mitocondri dovuto all’esercizio nel muscolo scheletrico. Rimane da chiarire quali fattori diano inizio a questa risposta genomica. Ci sono una quantità di messaggeri citosolici, come AMP, Ca2+, Pi, H+, ROS e tanti altri che si modificano e danno il via a segnali intracellulari.Quando è attivata, la AMPK sostiene processi energetici come l’assunzione di glucosio e l‘ossidazione dei grassi e riduce processi che consumano energia, come la sintesi di proteine e trigliceridi o la crescita cellulare. Nel muscolo, l’AMPK è attivata dalla stimolazione elettrica, dalla stimolazione dei motoneuroni, ma anche, ed è importante, da vari tipi di locomozione negli animali e nell’uomo in un modo che dipende dall’intensità dell’esercizio. È stata identificata la LKB1 (serina-treonina chinasi 11, STK11) come un’importante chinasi dell’AMPK nel muscolo ed in altri tessuti ed è forse responsabile dell’attivazione dell’AMPK da parte dell’AMP. Gli stessi autori indicano che la CaMMK beta (protein chinasi chinasi calcio/calmodulina dipendente beta) attivata in risposta al segnale del calcio potrebbe essere un altro attivatore dell’AMPK.

L’attivazione dell’AMPK è stata chiamata in causa nella regolazione acuta dell’assunzione e nell’ossidazione del glucosio e degli acidi grassi nei muscoli durante l’esercizio. Nel complesso, i risultati sperimentali indicano che l’attivazione dell’AMPK contribuisce alla regolazione dell’omeostasi energetica in modo acuto durante l’esercizio e induce anche un programma trascrizionale che imita la maggior parte degli adattamenti indotti dall’esercizio anche se non è obbligatoria per gli effetti dell’allenamento di endurance.

L’attività neuronale è il maggiore regolatore delle proprietà metaboliche e contrattili del muscolo. I segnali dipendenti dal calcio che descriviamo in seguito servono per integrare la durata, l’ampiezza e la frequenza delle fluttuazioni intracellulari del calcio: ci sono diverse vie di segnali che dipendono dal calcio citosolico e possono regolare l’espressione genica.

La Calmodulina è un trasduttore di segnale che attiva chinasi e fosfatasi a valle in seguito a modificazioni conformazionali: decodifica le oscillazioni del calcio nel muscolo attraverso modificazioni conformazionali indotte dal legame con il calcio. La traslocazione (verso il nucleo e forse altri siti intracellulari) è un secondo meccanismo di funzione della calmodulina: i primi bersagli sono membri della famiglia delle CamK (protein chinasi calcio/calmodulina dipendenti, con diversi isotipi). Agisce anche attraverso la calcineurina e la PKC (protein chinasi C).

La CamKII traduce le oscillazioni del calcio in livelli discreti di attività enzimatica ed è dipendente direttamente dall’intensità dell’esercizio; la sua attività dipende dal livello di fosforilazione, non dalla sua abbondanza; agisce attraverso MEF2 (myocyte enhancer factor 2), una famiglia di fattori di trascrizione importante per lo sviluppo e l’accrescimento del muscolo.

La via calcineurina-NFAT può stimolare le cellule satelliti nell’ipertrofia e nella miogenesi e favorisce l’espressione di miosine lente.

Si è capito che i ROS e RNS (specie reattive dell’azoto) mediano importanti eventi adattativi nei geni, attraverso diverse vie di ossidoriduzione. L’attività contrattile aumenta la produzione di ROS e il sito di maggiore produzione sono i mitocondri dove circa il 50% del flusso di ossigeno produce superossidi.

L’aumento dei ROS indotto dall’esercizio nel muscolo è relativamente piccolo e probabilmente non è un fattore di stress importante ma serve ad attivare specifici adattamenti legati allo stato redox.

Animali adulti e l’uomo aumentano il pool di enzimi protettivi e proteine da stress in conseguenza dell’attività contrattile.

I ROS possono avere un ruolo nella liberazione stimolata dall’esercizio di citochine muscolari e miochine, e questo è rilevante a proposito delle implicazioni dell’esercizio sulla salute .

L’HIF-1 è controllato dal livello dell’ossigeno nella cellula: in condizioni di ipossia si sposta nel nucleo e attiva i geni dell’eritropoietina e del VEFG (vascular endothelial growth factor) durante l’esercizio. Aggiungendo lo stimolo ipossico all’allenamento di endurance aumentano i livelli di mRNA per HIF-1.

La famiglia di fattori di trascrizione PPAR è un regolatore fondamentale del metabolismo lipidico e dell’infiammazione e sposta il metabolismo dei muscoli verso la β-ossidazione tipica dell’allenamento di resistenza.

Nell’insieme, le PPAR nel muscolo scheletrico hanno funzioni ridondanti e diverse, anche se il ruolo specifico di varie isoforme non è ben noto e potrebbe essere rivisto in considerazione delle azioni anche in altri tessuti e relativi rapporti reciproci.

Il recettore nucleare coregolatore PGC-1. È un elemento chiave a valle di molti segnali che rispondono all’allenamento di resistenza: si ritiene che questi recettori nucleari multiproTeici funzionino come «regolatori principali» che rispondono a diversi segnali e implementino programmi coordinati di espressione genica integrando fattori trascrizionali multipli e così realizzando veri e propri programmi biologici.

Corepressori trascrizionali. Se la famiglia degli attivatori trascrizionali PGC-1 è considerata il più importante coordinatore della stimolazione metabolica legata a fattori di attività, nutrizionali, circadiani, ambientali e umorali in molti tessuti, muscolo compreso, si ritiene che vi siano anche repressori trascrizionali per le situazioni, come l’ibernazione, in cui l’attività genica deve rallentare.

Angiogenesi indotta dall’esercizio. Il principale effetto dell’allenamento di endurance consiste nel permettere al muscolo di mantenere più a lungo una produzione di potenza aerobica aumentata e quindi di convertire completamente i substrati, carboidrati e lipidi, a CO2

e H2O nei mitocondri: pertanto deve aumentare il contenuto di mitocondri. Possiamo ben assumere che il consumo di ossigeno dei mitocondri segua fedelmente l’aumento del volume mitocondriale indotto dall’allenamento di resistenza, ma per far fronte all’aumento dell’attività dei mitocondri, bisogna che aumenti anche il rifornimento di ossigeno e infatti sappiamo bene che aumenta la capillarità dei muscoli. Aumenta in parallelo il numero e il diametro delle arteriole e si dilatano perfino le grandi arterie di conduzione dirette ai muscoli allenati. Sono state descritte due modalità di angiogenesi, la gemmazione e la separazione, o intussusception: la prima dipende dall’attivazione delle cellule endoteliali dei capillari, che si dividono ed esprimono MMPs (metalloproteinasi); questi enzimi catalizzano la degradazione delle membrane basali dei capillari e permettono l’accrescimento di nuovi tubicini verso l’esterno, che si spingono in fuori e si collegano ad altri capillare pre-esistenti; la seconda modalità è dovuta alla separazione intraluminale di capillari pre-esistenti. L’aumento della forza di taglio (shear stress) esercitata dal sangue in presenza di vasodilatazione delle arterie prossimali scatena la protrusione endoluminale di cellule endoteliali, che finiscono per formare pilastri trasversali e per dividere il capillare in due microvasi indipendenti, senza ulteriore proliferazione di cellule endoteliali. È probabile che entrambi i tipi di angiogenesi contribuiscano alla maggiore capillarità dei muscoli allenati.

Il più importante fattore di crescita dell’endotelio vascolare è il VEGF, che avvia il processo angiogenetico nel muscolo dopo l’esercizio: questo fattore, sintetizzato nelle fibre muscolari, aumenta la proliferazione e la migrazione di cellule endoteliali (segni tipici della gemmazione). Esso aumenta anche la permeabilità dei microvasi e influenza la vasodilatazione da iperemia, che provoca intussuception.

ALLENAMENTO DI FORZAQuando il muscolo deve sostenere intensi e ripetuti stress meccanici va incontro ad ipertrofia: l’ACSM consiglia 2/3 sessioni per settimana con carichi corrispondenti a 8/10 ripetizioni massime per i principianti e per gli esperti carichi più pesanti per 4/5 volta alla settimana. Con il protocollo per i principianti applicato per 6 settimane in un gruppo di studenti abbiamo ottenuto un aumento della sezione dei muscoli dell’8.4%, interamente dovuto ad un aumento delle miofibrille, mentre il volume dei mitocondri (calcolato) non cambiava.

L’allenamento di forza protratto produce quindi un aumento della sezione delle singole fibre, privilegiando quelle veloci; prolungando un allenamento intenso, si osserva un’alterazione delle fibre di tipo II, laddove le IIX praticamente scompaiono e prevalgono le IIA.

L’aumento di volume e forza muscolare è maggiore con esercizi eccentrici piuttosto che concentrici perché carichi muscolari maggiori hanno più effetto, dato che il carico minimo richiesto è del 60% 1RM.

Nutrizione e sintesi di proteine muscolariLa massa muscolare rimane abbastanza costante nella vita adulta a causa di un equilibrio fra i processi di sintesi e di degradazione proteica. Con l’avanzare dell’età, questo equilibrio è perduto e la funzione muscolare si riduce in conseguenza ad una perdita di massa per atrofia di fibre muscolari e riduzione del numero di unità motorie, nonché indebolimento delle proprietà contrattili e metaboliche delle fibre: questa condizione si chiama sarcopenia.

La presenza in circolo di materiali nutritizi anabolici, in particolare leucina, è sentita da mTOR (bersaglio della rapamicina nei mammiferi) che stimola la sintesi proteica nel muscolo attraverso l’incentivazione ed il prolungamento della traslazione: si tratta di un integratore essenziale di molti stimoli positivi e negativi che influenzano la massa muscolare. La sintesi proteica muscolare dipende dall’ingestione di aminoacidi essenziali, mentre la leucina da sola è un segnale stimolatore.

L’asse IGF-Akt-mTORL’iGF-1 è un ormone peptidico che ha il 50% degli aminoacidi in comune con l’insulina, ma il suo gene codifica isoforme multiple in diversi tessuti, come fegato, e muscolo scheletrico; funziona come ormone circolante ma anche come fattore di crescita locale: la sua azione è modulata da una famiglia di 6 proteine di legame circolanti e dalla regolazione post trascrizionale attraverso miRNA a livello dei tessuti.

Un elenco dei fattori di stress implicati nell’allenamento di forza e delle vie di segnale conseguenti . La via Akt-mTOR è considerata l’integratore principale dello stress meccanico e della stimolazione ormonale: l’attivazione conseguente del p70S6K, fattori di iniziazione e di allungamento aumentano la traslazione dell’RNA. In conseguenza dell’aumento di massa muscolare, il numero di nuclei (proliferazione di cellule satelliti) deve essere adattato per mantenere il dominio mionucleare costante

Schema semplificato di alcune vie o reti di segnali note che sono attivate preferenzialmente con l’allenamento di endurance. La deplezione energetica e le alte concentrazioni di calcio sono i principali stimolatori della biogenesi mitocondriale e dei programmi genetici a fibre lente, tramite l’aumento della trascrizione di PGC-1 alfa.

Recettori dell’insulina e dell’IGFIl muscolo scheletrico contiene recettori tetramerici che legano insulina e IGF, che consistono di due catene di legame extracellulari e due domini che attraversano la membrana e funzionano come tirosin chinasi. I recettori dell’insulina regolano il metabolismo, mentre quelli dell’IGF controllano la crescita normale e lo sviluppo. In particolare, nel muscolo, regolano vari aspetti della miogenesi legata alle cellule satellite, come la proliferazione, la differenziazione e la fusione.

Le proteine AktQuesta famiglia di proteine comprende tre geni, tutti della famiglia di enzimi di tipo serina/treonina. Akt1 riguarda soprattutto l’ipertrofia muscolare mentre Akt2 è importante per l’assunzione di glucosio stimolata dell’insulina.

L’Akt è attivata nei topi dalla corsa su treadmill ma anche dallo stiramento passivo dei muscoli, in maniera specifica per tipo di fibra. Oltre a stimolare l’ipertrofia muscolare, inibisce l’induzione dell’atrofia da parte di FOXO. Sicché l’asse IGF-1-Akt-mTOR non solo serve per aumentare l’anabolismo proteico, ma anche per contrastare l’atrofia che accompagna molte condizioni patologiche.

The name Akt does not refer to its function. The "Ak" in Akt was a temporary classification name for a mouse bred and maintained by Jacob Furth that developed spontaneous thymic lymphomas. The "t" stands for 'thymoma'; the letter was added when a transforming retrovirus was isolated from the Ak strain, which was termed "Akt-8". When the oncogene encoded in this virus was discovered, it was termed v-Akt. Thus, the later identified human analogues were named accordingly.

mTOR e proteine associateÈ una chinasi serina/treonina molto conservata (nella scala filogenetica) e regola processi cellulari come la proliferazione, la crescita, la differenziazione, la sintesi proteica, l’organizzazione del citoscheletro, l’omeostasi energetica e il metabolismo dei substrati; funziona sia in associazione si indipendentemente dall’insulina ed è un sensore delle sostanze nutritizie. È un fattore chiave degli adattamenti all’allenamento di forza nel muscolo. Ne esistono due complessi multiproteici, distinti strutturalmente e funzionalmente (mTORC1 e 2). mTORC1 è critico per il controllo della sintesi proteica muscolare in risposta all’alimentazione e all’esercizio. mTORC2 simola l’assunzione del glucosio stimolato dall’insulina. È chiaro che il sistema mTOR è sensibile allo stato energetico della cellula in seguito all’attivazione della via AMPK: ne è inibito in condizioni di bassa energia.

MiostatinaÈ un membro della famiglia del TGF-β ed è il regolatore principale della miogenesi embrionaria e del primo accrescimento dei muscoli: è secreta dai muscoli e agisce in via sistemica e con effetti autocrini/paracrini in maniera specifica per tipo di fibra. Nell’adulto ha influenza negativa sulle dimensioni dei muscoli ed è considerata un fattore che favorisce la cachessia inibendo la via Akt-mTOR.

Cellule satellite nella crescita e nella riparazione del muscoloIl muscolo scheletrico è un tessuto molto differenziato che contiene nuclei postmitotici e quindi l’accrescimento e la riparazione delle fibre muscolari dipendono da cellule precursori miogeniche chiamate cellule satelliti: queste cellule, che contengono il 1-4% del materiale nucleico sublaminale, sono le cellule staminali residenti del muscolo.

Rispondono ai criteri fondamentali per definire le cellule staminali perché possono fornire i mionuclei postmitotici necessari alla crescita e alla riparazione delle miofibre, ma sono anche in grado di auto mantenersi rinnovandosi e rispondono agli ormoni con meccanismi traslazionali. L’ipertrofia, che è l’aumento delle fibre muscolari per acquisto di proteine, è l’ovvia conseguenza dei segnali associati a mTOR. L’accrescimento muscolare da allenamento di forza con un numero costante di mionuclei sarebbe limitato al 20%: per crescere di più è necessaria l’induzione di cellule satelliti per mantenere il rapporto fra materiale nucleico e citoplasmatico.

Androgeni L’applicazione di testosterone aumenta la massa muscolare, la forza e la potenza in maniera dose dipendente (tutti i tipi di fibra) e aumenta il numero di mionuclei e di cellule satelliti sia nei giovani sia negli anziani, ma i meccanismi sono complessi e solo in parte noti. Biopsie di muscoli di atleti che fanno uso di steroidi indicano che vi è sia ipertrofia sia iperplasia, suggerendo che il meccanismo principale sia l’attivazione delle cellule satellite. Esperimenti in vitro sui meccanismi molecolari degli androgeni indicano che essi interferiscono con molteplici segnali intracellulari, stimolando il metabolismo, aumentando la crescita e inibendo l’apoptsi.

Interazioni fra allenamento di resistenza e di forzaAl contrario dell’allenamento di resistenza che modifica la struttura muscolare influenzando l’espressione genica, l’allenamento di forza è piuttosto legato all’aumento della traslazione e ha come regolatore principale l’mTOR. Questo è attivato da tre fattori principali: fattori di crescita legati all’insulina e al GH (tramite Akt), stress meccanico (trasmesso in parte dalle integrine) (tramite Akt), fattori nutrizionali, in particolare leucina e altri aminoacidi essenziali, che sono sentiti direttamente. L’mTOR attivato aumenta la sintesi proteica tramite iniziazione e prolungamento della traslazione, fosforilando la chinasi specifica p70S6K. Ci sono due importanti regolatori negativi di mTOR: uno stato energetico depresso diminuisce l’attivazione di mTOR tramite AMPK; la miostatina deprime mTOR direttamente e indirettamente. Siccome l’ipertrofia dipendente dalla sintesi proteica è limitata dalla massa muscolare, deve essere sostenuta dal reclutamento di cellule satellite.

L’allenamento contemporaneo di forza e resistenza riduce la capacità di aumentare la forza ma non influenza l’aumento del VO2max. L’esercizio dinamico sostenuto riduce la sintesi e aumenta il degrado delle proteine, anche se questo si compensa nel tempo. In esperimenti di stimolazione di muscoli di ratto ad alta frequenza per brevi periodi (simula l’allenamento di forza) oppure a bassa frequenza in continuo (simula l’allenamento di endurance) si è trovata stimolazione preferenziale della via Akt-mTOR nel primo caso e della via AMPK-PGC nel secondo.

L’allenamento combinato acuto compromette l’attivazione delle risposte anaboliche e metaboliche. Far precedere un esercizio aerobico riduce le risposte anaboliche mentre l’opposto (forza seguita da resistenza) aumenta l’infiammazione ed il degrado proteico.

Modello semplificato dell’interferenza molecolare degli allenamenti di resistenza e di forza. Si ritiene che l’attività AMPK (resistenza) e mTOR (forza) siano i principali punti di divergenza con l’esercizio combinato.

EFFETTI: da carico in eccesso (overload)

Tutte le cellule si modificano (remodeling)

Distruzione/rimozione

Ricostruzione/sintesi proteica

Dimensioni/funzioni

segnali

Distruzione/rimozione

Ricostruzione/sintesi proteica

segnali

ALLENAMENTO DELLA FORZA

Effetto della prima contrazione massimaleo ripetizioni submax

Forte dipendenza da condizioni iniziali:scarsa attività

detraining

Fattore principale: volume muscolare,sezione trasversa

ALLENAMENTO DELLA FORZA

Importanza degli elementi non contrattili

Importanza della disposizione del muscoloes. pennazione

La forza aumenta anche per migliore attivazione delle unità motorie

ALLENAMENTO DELLA FORZA

La massima forza si esprime con una contrazione eccentrica

Per contrazioni isometriche 1/2 forza

Nelle contrazioni concentriche la forza è inversamente proporzionale alla velocità

Un movimento reale non può essere perfettamente isotonico, perché la rotazione intorno alle articolazioni modifica le leve

ALLENAMENTO DELLA FORZA

Effetti:

•Sulla massa muscolare:•ipertrofia•iperplasia

•Sul fenotipo (tipi di fibre)

•Sul controllo motorio

ALLENAMENTO DELLA FORZA

Ipertrofia

•Aumento dell’area di sezione: effetto diretto sulla forza sviluppata

•Aumento di lunghezza, per aggiunta di sarcomeri in serie: spostamento sulla curva tensione/lunghezza

ALLENAMENTO DELLA FORZA

Iperplasia

•Aumento del numero di fibre: dimostrato solo in alcuni modelli animali

•Ruolo delle cellule satellite: vengono sicuramente attivate dallo sforzo

•Più importanti per l’ipertrofia: si fondono con le fibre mature, fornendo materiale strutturale, in particolare nuclei (e

mitocondri?)

ALLENAMENTO DELLA FORZA

Ruolo del SNCStrategie:

•Aumento della frequenza di scarica: tetano completo.•Treni d’impulsi: frequenza impulsi nel treno

•durata treno•aumento frequenza treni

•stimolazione tetanica continua

•Reclutamento di unità motorie

ALLENAMENTO DELLA FORZA

Biologia molecolare

Tournover proteico: 1 g/kg/dì; semivita 7-15 gg

Distruzione/rimozione

Ricostruzione/sintesi proteica

segnali

ForzaResistenza ()

ALLENAMENTO AEROBICO

MECCANISMI CENTRALI

Adattamenti cardiaci> volume plasmatico

> concentrazione Hb (emoglobina)*** anemia relativa dell’atleta: spiegazione aumento 2,3 DPG

inganno meccanismo eritropoietina

Coronarie: densità capillare; flusso (ruolo NO)

Migliore distensibilità ventricolare in diastole

ALLENAMENTO AEROBICO

MECCANISMI periferici

> densità capillare (30-40%): migliore diffusione gas; ridotta velocità di transito

Mitocondri: > numero> enzimi ossidativi capacità ossidativa

> uso FFA: ruolo di LPL endoteliali migliore economia energetica (ossidativa)

Accumulo (relativo) di glicogeno

ALLENAMENTO AEROBICO

MECCANISMI periferici

Aumento estrazione ossigeno (a-v O2)

Aumenta flusso muscolare massimo (iperemia metabolica): ruolo NO

Aumenta concentrazione mioglobina

Cellula satellite: principale cellula staminale nel m. scheletrico. Fra la lamina basale e il sarcolemma

Stato di quiescenza: non si differenziano, non si moltiplicano

Attivazione fortissima per: esercizio, danno muscolare, malattie degenerative

Stem cells in postnatal myogenesis: molecular mechanisms of satellite cell quiescence, activation and replenishmentJ. Dhawan and T.A. RandoTRENDS in cell biology (2005) 15:666-673

Attiva ricostituzione delle cellule satelliti dopo attivazione per poter ripetere processi rigenerativi

Espressione di proteine tipiche (riconoscimento) – Miostatina: mantiene la condizione di quiescenza

Lo stato di quiescenza non è una condizione di semplice inattività, ma di controllo dei processi trascrizionali

Alterazioni della nicchia che contiene le cellule satelliti ne provocano l’attivazione: stadio intermedio altamente proliferativo (cell. Progenitrici)

Nei soggetti anziani le cellule satelliti sono meno facilmente attivabili, ma quando attivate proliferano normalmente: il rallentamento correlato con l’età è legato a fattori modificabili della nicchia cellulare

Il numero di cellule satelliti rimane costante nell’adulto: alla prima moltiplicazione cellulare, solo una delle cellule figlie continua la differenziazione, mentre l’altra rimane allo stadio staminale

Mechanotransduction and the regulation of protein synthesis in skeletal muscleT.A. Hornberger and K.A. EsserProc. Nutr. Soc. (2004) 63: 331-335

La tensione regola la massa muscolare, anche in vitro: aumenta la sintesi proteica e diminuisce specularmente la degradazione

Capacità intrinseca del muscolo scheletrico, a prescindere da fattori di regolazione come: testosterone, glucocorticoidi, fattori di crescita

Meccanocezione: accoppiamento di informazione meccanica con eventi biochimici intracellulari. Interessa: A) la membrana; B) il complesso matrice extracellulare-integrina-citoscheletro

A) la membrana: bistrato lipidico allo stato semiliquido; resiste alla deformazione. Un aumento della superficie del 2-4% rompe la membrana. La membrana è sovrabbondante (100%), formando pieghe, microvilli, caveole. Questa è una riserva che previene la rottura

Attraverso fessure della membrana avvengono scambi di liquido extra-intra cellulare, che attivano eventi intracellulari: questi sono segnali meccanocettivi

B) il complesso matrice extracellulare-integrina-citoscheletro. Punti di adesione focale (FA): accoppiamento fisico della matrice extracellulare con il citoscheletro – esempi: giunzioni muscolo-tendinee; giunzioni neuromuscolari; linee Z (costameri).

Gli stimoli meccanici hanno effetti differenziati: allungamento allunga le fibre; sovraccarico aumenta la sezione

Changes in muscle mass and phenotype and the expression of autocrine and systemic growth factors by muscle in response to stretch and overloadG. GoldspinkJ. Anat. (1999; 194: 323-334)

Diversi tipi di cellule rispondono a stimoli meccanici. Generalmente definiti “meccanociti”: osteociti, fibroblasti, muscolo schletrico, cardiaco e liscio. L’espressione genica è influenzata da stimoli meccanici.La cellula muscolare rappresenta lo stadio teminale di differenziazione di cellule pluripotenti. Vi sono fattori di crescita e di inibizione (miostatine); la regolazione è positiva e negativa

I fattori di crescita provvedono alla riparazione locale per tutta la vita.L’ipertrofia indotta dall’allungamento è regolata da fattori di crescita autocrini

L’allungamento stimola la sintesi proteica (regolazione della lunghezza durante l’accrescimento). La combinazione di allungamento e forza (stimolazione) ha effetti additivi.Documentato aumento di volume del 35% in 4 giorni; corrispondente aumento dell’RNA totale del 250%

Fattori meccanici e fenotipo: la frequenza di stimolazione determina il tipo di fibra (esperimenti di innervazione crociata). Questo effetto è in parte indiretto, legato alla deformazione meccanica.

Tutte le fibre muscolari sarebbero veloci finché non sono sottoposte a stiramento e stimolazione.Fra i fattori di crescita: IGF1 (insulin-like growth factor) di tipo muscolare.