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+
LDH (lattato deidrogenasi)
+
NAD+
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)
DG°’ = - 30.5 kJ/mol
Tuttavia, la quantita' di ATP presente nel muscolo è
sufficiente per sostenere una attivita' contrattile
solo per un periodo limitato di tempo
CK
PCr + ADP + H+
ATP + Cr
(2)
DG°’ = - 43 kJ/mol
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
NADH + H+ + 3ADP + 3Pi + 1/2O2 = NAD+ + 3ATP +
H2O
La somma di (1) e (2):
PCr + H2O + H+
Cr + Pi
per effetto dell’adenilico cinasi
ADP + ADP
ATP + AMP
e per successiva deaminazoione ad opera dell’adenilico
deaminasi
AMP + H2O
IMP + NH3
per effetto della xantina ossidasi
IMP
ipo-xantina
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
a-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 chimotripsina
scindono 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
LC2
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
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 + actina
actomiosina-ADP-Pi
Actomiosina-ADP + ATP
-ADP-Pi
actomiosina-ADP-Pi
actomiosina-ADP + Pi
actina + miosina-ATP + ADP
MIOSINA
Nel muscolo scheletrico:
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 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 mm 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 a e b 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
legame debole
non si forma il complesso
legame forte
miosina-ATP + H2O
-ADP-Pi + actina
actomiosina-ADP-Pi
Actomiosina-ADP + ATP
-ADP-Pi
actomiosina-ADP-Pi
actomiosina-ADP + Pi
actina + miosina-ATP + ADP
Proteine strutturali
Proteine della linea Z:
a-actinina, b-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-miosina
10-4 < [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 + actina
actomiosina-ADP-Pi
Actomiosina-ADP + ATP
-ADP-Pi
actomiosina-ADP-Pi
actomiosina-ADP + Pi
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 subunità
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