Come i neuroni, le cellule muscolari rispondono a stimoli:

elettrici, meccanici e chimici

potenziale d’azione

contrazione muscolare

Nei vertebrati il sistema muscolare è rappresentato dal muscolo scheletrico, cardiaco e liscio

Il tessuto cardiaco e la muscolatura liscia sono controllati dal sistema nervoso vegetativo

Il tesuto del muscolo scheletrico è costituito da cellule allungate contenenti più nuclei (poliploidi)

localizzati alla periferia del citoplasma

Le cellule del tessuto cardiaco e della muscolatura liscia sono mononucleate

Circa il 90-95% del peso secco dei miociti è costituito da proteine

Proteine miofibrillari:

Proteine contrattili

Proteine regolatrici

Proteine strutturali

Proteine ad attività biologica: mioglobina, citocromi, enzimi glicolitici,

enzimi del ciclo di Krebs ecc.

Il contenuto di H2O e circa 70-80% del peso bagnato di cui il 20-25%

è nel liquido extra-cellulare

La quota intra-cellulare è prevalentemente H2O di solvatazione delle proteine

L’elettrolita a concentrazione maggiore è il K+ ~ (150 mM) seguito dal Na+ ~ (10 mM) e dal Mg2+ ~ (10 mM)

Istologicamente il tessuto muscolare è classificabile in:

striato scheletrico

striato cardiaco

liscio

Metabolicamente e funzionalmente le fibre dei muscoli scheletrici si suddividono in:

rosse (fibre tipo I)

bianche (fibre tipo II)

Fibre di tipo I

Elevate quantità di mioglobina

Riccamente vascolarizzate

Attivo metabolismo ossidativo

Numerosi mitocondri

Maggiore capacità di ossidare gli acidi grassi, il piruvato, i corpi chetonici

Dovuta in parte all’alto rapporto H/M degli isoenzimi della lattico deidrogenasi:

L’isoenzima H è inibito da NAD+ e piruvato

NADH + H+

NAD+

+

+

LDH (lattato deidrogenasi)

Fibre di tipo II

alte concentrazioni di enzimi glicolitici

basso numero di mitocondri

elevata produzione di acido lattico

maggiore [PCr] rispetto alle fibre I

debito di ossigeno contrazione in anaerobiosi

BIOENERGETICA MUSCOLARE

BIOENERGETICA MUSCOLARE

BIOENERGETICA MUSCOLARE

La reazione che produce direttamente energia utilizzabile per la contrazione muscolare è catalizzata dalla miosina-ATPasi:

ATP + H2O ADP + Pi (1)

CKPCr + ADP + H+ ATP + Cr (2)

Tuttavia, la quantita' di ATP presente nel muscolo è sufficiente per sostenere una attivita' contrattile solo per un periodo limitato di tempo

NADH + H+ + 3ADP + 3Pi + 1/2O2 = NAD+ + 3ATP +

H2O

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

PCr + H2O + H+ Cr + Pi

La somma di (1) e (2):

G°’ = - 30.5 kJ/mol

G°’ = - 43 kJ/mol

ADP + ADP ATP + AMP

per effetto dell’adenilico cinasi

AMP + H2O IMP + NH3

e per successiva deaminazoione ad opera dell’adenilico deaminasi

per effetto della xantina ossidasi

IMP

xantina

ipo-xantina

acido urico

actina miosina

MIOSINA

E’ una molecola di cicrca 160 nm di pm ~ 470 mila

La coda e’ formata da due catene polipeptidiche ad -elica di pm di ~ 200 mila (catene pesanti)

Le estremità globulari della molecola contengono 4 catene peptidiche dette catene leggere

MIOSINA

Le catene leggere possono esseredi tre tipi:LC1, LC2, LC3

hanno pm leggermente diversi

Ciascun lobo della testa della miosina contiene due catene leggere:

una è sempre LC2 l’altra LC1 o LC3

LC2 sono le uniche ad essere fosforilate reversibilmente

MIOSINA

Gli enzimi proteolitici tripsina e chimotripsinascindono la molecola in due frammenti:

meromiosina leggera e meromiosina pesante

La meromiosina pesante è ulteriormente scissa dalla papaina in due sub-frammenti

globulari S1 e un frammento a bastoncino S2

MIOSINA

I punti in cui la miosina è scissa dagli enzimi proteolitici, sono quelli a maggiore flessibilità(cerniere) che consentono alle teste di flettersi

durante la contrazione

MIOSINA

Ogni frammento S1 della testa della miosina ha due regioni:

il collo che è in continuità con la coda che contiene le catene leggere

il dominio motore la parte globulare che contiene i domini che legano l’actina

LC2

MIOSINA

Un filamento è formato da ~ 400 molecole di miosina raggruppate in due fasci contrapposti di ~ 200 molecole

aventi le teste che emergono ogni 43 nm

I due fasci sono separati da uno spazio centrale senza teste emergenti di ~ 1500 Å

L’attività ATPasica è concentrata nella porzione globulare delle teste detta:

dominio motore

miosina-ATP + H2O -ADP-Pi

-ADP-Pi + actina actomiosina-ADP-Pi

actomiosina-ADP-Pi actomiosina-ADP + Pi

Actomiosina-ADP + ATP actina + miosina-ATP + ADP

MIOSINA

nelle fibre di tipo I: bassa attività ATPasica

nelle fibre di tipo II: alta attività ATPasica

Nel muscolo cardiaco:

nel miocardio atriale: alta attività ATPasica

nel miocardio ventricolare: bassa attività ATPasica

Nel muscolo scheletrico:

Nel miocardio ventricolare dei mammiferi sono state identificate tre isoforme di miosina

con diversa attività ATPasica le cui proporzioni variano

in funzione della taglia dell’animale

Isoforme delle proteine miofibrillari

ACTINA

E’ una proteina globulare di pm ~ 43 mila

E’ costituita da 376 aminoacidi

E’ detta actina G ed è il costituente dei singoli monomeri

I singoli monomeri polimerizzano a formare actina F

due catene di actina F si avvolgono in forma elicoidale

formando un filamento di 1 m di lunghezza

ogni spira contiene 13-14 molecole di monomero

ACTINA

sono presenti 4 domini: 1,2 sulla superficie esterna responsabili del legame con la miosina; 3-4 partecipano al legame con gli altri monomeri

ACTINA

n(Actina-G) + nATP + nCa2+ n(Actina-G)-nATP-nCa2+

n(Actina-G)-nATP-nCa2+ Actina-F(ADP)n +nPi + nCa2+

Forma il complesso acto-miosina

aumenta di 200 volte l’attività ATPasica della miosina

Proteine regolatrici

Le proteine che regolano l’attività contrattile sono:

tropomiosina e troponina

Tropomiosina (~ pm 68 mila): costituita da due catene e avvolte a spirale

Giace nei solchi formati dai filamenti di actina

Funzione regolatrice della formazione del complesso acto-miosina

Troponina

pm complessivo ~ 76 mila

è formata da tre sub-unità

è legata alla tropomiosina

TnC (pm 18 mila) lega il Ca2+

TnI (pm 21mila) inibisce l’ATPasi dell’acto-miosina

TnT (pm 37 mila) lega la tropomiosina

non si forma il complesso

legame debole

legame forte

miosina-ATP + H2O -ADP-Pi

-ADP-Pi + actina actomiosina-ADP-Pi

actomiosina-ADP-Pi actomiosina-ADP + Pi

Actomiosina-ADP + ATP actina + miosina-ATP + ADP

Proteine strutturali

Proteine della linea Z:

-actinina, -actinina, desmina (abbondante nel cuore)

Proteine della linea M:

tengono in registro i filamenti di miosina

Proteina C: si lega alla coda della miosina (ruolo ignoto)Nebulina, Connettina:

legano linee Z opposte impedendone l’eccessiva distensione

DISTROFINA

Disponendo delle proteine contrattili purificate si è potuto studiare in vitro il complesso proteico actomiosina verificando che:

Ca2+ Mg2+ stimolano l’attività ATPasica

Na+, K+ inibiscono l’attività ATPasica inibiscono l’interazione tra le due proteine

ATP favorisce l’interazione actina-miosina10-4 < [ATP] < 10-2

un impulso nervoso arriva alla placca neuromuscolare

si genera potenziale d’azione

il sarcolemma si depolarizza

il segnale elettrico arriva alle cisterne del ret. sarcoplasm.

rilascio di Ca2+

saturazione dei siti di legame di TnC

modificazioni conformazionali del complesso regolatrice

liberazione dei siti attivi di legame dell’actina

legame tra la testa della miosina e actina

miosina-ATP + H2O -ADP-Pi

-ADP-Pi + actina actomiosina-ADP-Pi

actomiosina-ADP-Pi actomiosina-ADP + Pi

Actomiosina-ADP + ATP actina + miosina-ATP + ADP

In ogni ciclo avviene uno slittamento di 10 nm verso la linea M

Una contrazione comporta circa 5 cicli al secondo

Il Ca2+ che entra nel sarcolemma dal tubulo a T non è sufficiente per attivare il sistema contrattile, ma promuove il rilascio di Ca2+ dalle cisterne terminali

Il Ca2+ che realmente attiva il sistema contrattile è quello immagazzinato nel reticolo sarcoplasmatico

Il rilassamento del muscolo avviene per richiamo del Ca2+ nelle cisterne per mezzo di un enzima ATPasi Mg2+/Ca2+

dipendente presente nella membrana del reticolo sarcoplasmatico

Il trasferimento di Ca2+ nelle cisterne del reticolo sarcoplasmatico comporta il trasporto di due Ca2+ per ogni ATP idrolizzato

Si fosforila un residuo di acido aspartico di una sub-unità

La fosforilazione determina un cambiamento conformazionale che disattiva i due siti di legame del Ca2+ ad alta affinità rivolti verso il citoplasma, mentre si attivano i siti a bassa affinità rivolti verso il lume del reticolo