LA BIOCHIMICA DEL MUSCOLO Le attuali conoscenze sulla contrazione muscolare si basano sul modello a scorrimento dei filamenti . Il muscolo scheletrico comprende circa il 40% della massa corporea ed è formato da cellule cilindriche multinucleate chiamate fibre muscolari. La membrana plasmatica delle fibre muscolari è conosciuta come sarcolemma. Dentro il sarcolemma è contenuto il sarcoplasma che contiene tutti i comuni elementi subcellulari più delle lunghe miofibrille. • Ciascuna miofibrilla è composta da fasci di proteine filamentose contrattili ed è costituita da corte unità strutturali note come sarcomeri. • Le proteine alle giunzioni dei sarcomeri formano le linee Z, per cui un sarcomero si estende lungo una miofibrilla da una linea Z ad un’altra linea Z. • I sarcomeri sono composti principalmente da sottili filamenti di actina e da filamenti spessi di miosina. I sarcomeri rappresentano la minima unità contrattile del muscolo. La contrazione coordinata di milioni di sarcomeri in un muscolo è la base dell’attività meccanica del muscolo. Il tessuto connettivale che avvolge la miofibra viene denominato sarcolemma. La diramazione di questo tra i fasci prende il nome di perimisio che a sua volta diventa epimisio quando avvolge l'intero muscolo. Il liquido, che circonda le miofibre e che contiene anche i substrati energetici del muscolo, viene definito sarcoplasma. Fibra Muscolare All’interno del sarcomero i filamenti spessi e sottili sono intervallati in modo tale che facendo una sezione trasversale del sarcomero appare un motivo a reticolo esagonale, in cui 6 filamenti sottili circondano ciascun filamento spesso. Durante la contrazione ed il rilassamento la distanza tra le linee Z varia, diminuendo durante la contrazione. I filamenti spessi e sottili riprendono poi le loro posizioni a seguito del rilassamento, salvo il verificarsi di situazioni estreme. Il cambiamento nella lunghezza del sarcomero è determinata dallo scorrimento dei filamenti sottili su quelli spessi; i filamenti sottili si spostano verso la zona centrale del sarcomero (linea M). Ciascuna miofibrilla è formata da diverse proteine: a) Miosina e Actina che sono proteine contrattili b) Tropomiosina e Troponina che sono proteine regolatorie c) Titina e Nebulina che sono proteine accessorie giganti PROTEINE DEI MIOFILAMENTI La base biochimica dell’attività muscolare è collegata alle proprietà enzimatiche e fisiche di actina, miosina e proteine accessorie. MIOSINA: lunga proteina fibrosa con peso molecolare di circa 500.000 daltons. Ciascuna molecola di miosina è costituita da 6 subunità: 2 catene pesanti (HC) molto grandi e 4 catene leggere (LC) più piccole. La HC contiene un lungo dominio terminale in alfa-elica (circa 1300 amminoacidi) e un dominio globulare (testa globulare) all’estremità ammino-terminale (circa 800 amminoacidi). Le due catene pesanti (HC) hanno i tratti in alfa-elica superavvolti a dare un lungo tratto rigido con due teste globulari. Una molecola di miosina completa contiene anche 4 catene leggere (LC) associate alle teste globulari delle catene pesanti. Queste piccole proteine (LC) hanno peso molecolare di 16.000-24.000 daltons e si suddividono in LC1, LC2 ed LC3. Ciascun dominio globulare presenta 1LC2 e 1LC1 o 1LC3 a seconda del tipo di muscolo considerato (cardiaco, scheletrico, embrionale, liscio). Tutte le catene leggere legano il Ca2+ con una elevata affinità e servono per regolare l’attività ATPasica della miosina, nonché l’assemblaggio della miosina per formare i filamenti spessi. L’attività ATPasica della miosina è localizzata a livello delle teste globulari. ACTINA I filamenti sottili sono composti da molte subunità di una proteina globulare nota come actina-G (42 kD) e diverse proteine accessorie. In un filamento sottile, l’actina-G è polimerizzata in lunghi segmenti fibrosi noti come actina-F. Un paio di filamenti di actina-F sono avvolti elicoidalmente per formare la struttura portante di un filamento completo di actina. Ciascun monomero di actina-G contiene un sito di legame per la testa della miosina. Le principali proteine accessorie presenti nei filamenti sottili sono: Tropomiosina e Troponina. Tn-T: lega la troponina alla tropomiosina Tn-I: lega la troponina all’actina Tn-C: sito di attacco per il calcio La tropomiosina è un eterodimero costituto da due filamenti superavvolti. Nel muscolo rilassato ciascuna molecola di tropomiosina copre i siti di legame con la miosina di 7 residui di actina-G, prevenendo il legame tra actina e miosina e mantenendo il muscolo rilassato. L’inizio di un evento di contrazione richiede l’intervento della seconda proteina accessoria, la troponina. La troponina è un eterotrimero che fisicamente lega la tropomiosina all’actina. Cambiamenti conformazionali nella troponina sono responsabili del movimento della tropomiosina che alternativamente copre e scopre i siti di legame tra actina e miosina. Una delle subunità della troponina, la troponina-C (Tn-C), è una proteina analoga alla calmodulina e quindi in grado di legare il calcio. Quando Tn-C lega il calcio, l’intera molecola di troponina va incontro a variazioni conformazionali che muovono la tropomiosina ad essa solidale e liberando il sito di attacco della miosina sull’actina. La miosina e l’ATP: Il muscolo scheletrico converte l’energia chimica in energia meccanica con altissimo rendimento:non più del 30-50% si dissipa in energia termica. L’energia necessaria ai fini della contrazione muscolare proviene dall’idrolisi dell’ATP. L’energia di idrolisi dell’ATP è utilizzata per guidare la miosina da uno stato conformazionale a più bassa energia a uno ad energia più elevata. Quando i livelli citosolici di calcio aumentano, e il legame per la miosina sull’actina diventa accessibile, si forma il complesso ACTOMIOSINA a cui segue la dissociazione sequenziale di Pi e ADP con ritorno della miosina allo stato a bassa energia. Questi eventi sono accompagnati da una simultanea traslocazione dei filamenti sottili verso il centro del sarcomero (linea M). Alla fine dell’impulso di forza (power stroke) il complesso actomiosinico rimane intatto fino a quando non si ha ATP disponibile. Il legame dell’ATP alla miosina è una reazione fortemente esoergonica con conseguente distacco dell’actina dalla miosina. La sequenza di eventi che conducono ad un evento di contrazione possono essere così riassunti: 1. una testa miosinica libera lega l’ATP (stato 1) e lo idrolizza; 2. la miosina si trova a questo punto nella forma a più alta energia con ADP e Pi legati (stato 2); 3. la miosina a questo punto si lega all’actina liberando il Pi (stato 3); 4. appena legatasi in questo modo, la testa subisce un mutamento di conformazione che genera una fase utile esercitando una trazione sul resto del filamento spesso. Al termine della fase utile (stato 4) si libera l’ADP e la testa si associa con una nuova molecola di ATP, dissociandosi dal filamento di actina e riacquistando lo stato 1. Gli eventi che riguardano i filamenti sottili durante la contrazione possono così essere riassunti: 1. Prima della comparsa di calcio libero nel sarcoplasma, la tropomiosina copre i siti di legame per la miosina presenti sull’actina; 2. la comparsa del calcio nel sarcoplasma porta al legame tra il calcio e Tn-C; 3. le variazioni conformazionali nella troponina spostano la tropomiosina e scoprono i siti di legame sull’actina; 4. i siti esposti sono ora disponibili per interagire con le teste globulari della miosina; 5. la rimozione del calcio dal sarcoplasma ripristina lo stato conformazionale originario di troponina e tropomiosina, mascherando nuovamente i siti di attacco della miosina. Un’istantanea di un filamento spesso mostrerebbe nel muscolo che si contrae alcune teste agganciate al filamento actinico ed altre disimpegnate. Ciascun filamento spesso contiene approssimativamente 500 teste miosiniche, e nel corso di una contrazione rapida ciascuna testa percorre circa 5 cicli al secondo, facendo scorrere l’uno sull’altro il filamento spesso e quello sottile al ritmo di 15 µm al secondo. REGOLAZIONE DEL CALCIO SARCOPLASMATICO: L’interazione molecolare generatrice di forza che è stata appena descritta ha luogo solamente a patto che il muscolo scheletrico riceva un segnale dal suo nervo motore. Tale segnale scatena un potenziale di azione nella membrana cellulare della cellula muscolare, e l’eccitazione elettrica si diffonde velocemente in una serie di pliche membranose, i tubuli trasversali o tubuli T, e il segnale viene poi trasmesso al reticolo sarcoplasmatico. L’eccitazione induce una depolarizzazione locale del sarcolemma. Si ha conseguentemente l’apertura dei canali del calcio nel reticolo sarcoplasmatico, seguita da un rapido e massivo movimento delle cisterne del calcio nel reticolo sarcoplasmatico vicino alle miofibrille. La comparsa del calcio in prossimità della subunità Tn-C della troponina produce i power stroke multipli della miosina per il tempo determinato dal permanere del calcio a livelli superiori a 1-5 µM. Alla cessazione dell’attività contrattile, le membrane sarcoplasmatiche ritornano al potenziale elettrico di riposo (circa 60mV), come pure il reticolo sarcoplasmatico. Il calcio sarcoplasmatico viene ripompato nelle cisterne del reticolo sarcoplasmatico da una pompa del calcio ATP dipendente. Per ogni ATP idrolizzato, due ioni calcio vengono estratti dal sarcoplasma e il livello in tale comparto scende alla fine sotto 0.1 µM (in circa 30 millisecondi). MECCANISMI ENERGETICI del MUSCOLO ANAEROBICO ALATTACIDO ANAEROBICO LATTACIDO AEROBICO 46 MECCANISMI ENERGETICI del MUSCOLO L'energia per la contrazione muscolare viene fornita dall’ ATP (Adenosin trifosfato) che si scinde in ADP (Adenosin‐difosfato) e P (fosfato inorganico) ATP = ADP + P + energia La quantità di ATP presente nei muscoli è molto limitata per cui è necessario ricostituirla in continuazione. La resintesi dell'ATP avviene attraverso tre diversi meccanismi, ognuno legato alla durata e all'intensità dell'impegno muscolare. Il muscolo può utilizzare tutti e tre i sistemi contemporaneamente oppure privilegiarne maggiormente uno rispetto altri due: 1. Sistema anaerobico alattacido 2. Sistema anaerobico‐lattacido 3. Sistema aerobico 47 1) Sistema ATP‐CP (anaerobico alattacido) Questo meccanismo si innesca in assenza di O2 e senza formazione di Acido lattico nei muscoli, utilizzando una molecola altamente energetica immagazzinata nel muscolo la creatinfosfato o fosfocreatina ‐ CP, la CP in seguito allo stimolo nervoso libera una grande quantità di energia scindendosi in creatina (C) e fosforo (P), quest'ultimo con l'ADP va a riformare l'ATP. C CP P + ADP energia liberata ATP Sforzi di breve durata 10” – 20” Contrazioni rapide intensità massimale Molta Potenza 48 Questo processo di ricostruzione di ATP è molto rapido, quasi simultaneo, purtroppo la quantità di CP presente nel muscolo è relativamente limitata e si esaurisce in brevissimo tempo (8‐10 secondi). Questo sistema consente al muscolo di eseguire contrazioni molto rapide, anche d’intensità massimale, ma per periodi di tempo assai limitati (corse di velocità fino a 100 mt., salti, lanci etc.) che richiedono un impiego d’energia massimale. L'energia spesa viene ripristinata dopo circa 3 minuti. L'utilizzazione di questo sistema può andare ben oltre gli 8‐10 secondi qualora l'impiego muscolare sia tale da non richiedere la massima potenza del processo, ma percentuali più basse (durata massima 40 – 45 secondi). 49 2) Sistema dell’ac. lattico (anaerobico lattacido) Quando lo sforzo si protrae nel tempo e l’atleta ha esaurito, tutte le scorte di CP presenti nel muscolo e quindi non può più ricostituire l'ATP con le proprie riserve chimiche, non cessa la sua attività, ma riesce a continuarla perché subentra il sistema dell'acido lattico o glicolisi (in assenza di O2), che produce una sostanza detta Acido Lattico (sostanza tossica, il cui accumulo nei muscoli provoca fenomeni di affaticamento che costringono l’atleta a ridurre l’intensità dello sforzo, fino al blocco totale dell’attività muscolare). Questo meccanismo, che utilizza l’energia liberata dalIa demolizione delle molecole di GLUCOSIO (presenti nei muscoli) e di GLICOGENO (accumulato nel fegato) tramite reazioni chimiche accelerate da particolari enzimi, permette la ricostituzione di ATP ma produce anche acido lattico 50 Il processo anaerobico lattacido è di fondamentale importanza per compiere prestazioni fisiche nelle seguenti specialità sportive: quelle individuali continuative sub‐massimali di durata compresa tra i 40 ‐ 45 secondi e i 4 minuti circa; quelle di squadra con riferimento agli atleti che forniscono un impegno intenso e continuo. Fegato sotto forma di glicogeno ACIDO LATTICO Accumulato nei muscoli ZUCCHERI Sforzi di media durata GLICOGENO + ENZIMI 15” – 45” Intensità elevata + ADP energia liberata ATP 51 CONOSCERE IL CORPO UMANO: AEROBICO 3) Sistema dell’ossigeno (aerobico) Se la quantità di ATP richiesta dal muscolo per svolgere la sua attività non è molto elevata, l'ossigeno (O2) che viene immesso nel nostro organismo per mezzo della respirazione ha la possibilità di ossidare (combinare) le sostanze presenti (zuccheri, proteine e grassi) e di riformare ATP producendo sostanze di rifiuto quali l’anidride carbonica (CO2) e l’acqua (H2O) che sono espulsi mediante la respirazione (polmoni) e la sudorazione. In tale situazione il lavoro muscolare può essere protratto più a lungo, teoricamente senza alcun limite. Utilizzando questo sistema, la quantità d’ossigeno trasportata ai muscoli non è mai inferiore a quella necessaria per riformare l'ATP e quindi l'organismo può lavorare in "steady‐ state" cioè in stato d’equilibrio. 52 Il limite di questo processo energetico è la lentezza (ci vuole molto tempo affinchè l’ CO2 venga espulsa e l’O2 arrivi ai muscoli. Se lo sforzo si intensifica (maggiore consumo di O2), si creerà un accumulo di CO2 e contemporaneamente attraverso il processo di scissione del glicogeno, un accumulo di ac. lattico che costringe il corpo ad una richiesta superiore di O2 definita: “DEBITO di OSSIGENO” E’ necessario quindi rallentare il lavoro in modo da dare tempo al sangue e ai polmoni di espellere l’CO2, di trasportare al fegato l’ac. Lattico e di immettere O2 con l’inspirazione, questo tempo di attesa si definisce: “PAGARE IL DEBITO DI OSSIGENO” O periodo di tempo necessario per ripristinare l’equilibrio tra consumo di O2 e immissione di O2 e poter riprendere il lavoro muscolare. 53 CO2 O2 OSSIDA Sforzi di lunga durata Superiori a 180” Intensità moderata ZUCCHERI GRASSI PROTEINE H 2O ESPULSA con L’ESPIRAZIONE Anidride Carbonica ESPULSA con LA SUDORAZIONE Acqua + ADP energia liberata ATP 54 Scambi metabolici tra fegato e muscoli Particolare importanza hanno gli scambi che avvengono tra il fegato e i muscoli e che riguardano il metabolismo degli zuccheri. Il fegato può rilasciare nel sangue glucosio che ricava scindendo le sue scorte di glicogeno (glicogenolisi) oppure sintetizzandolo a partire da vari precursori (gluconeogenesi); tra questi, il lattato e l'alanina, forniti principalmente dai muscoli. Il glucosio immesso nel torrente circolatorio può raggiungere le fibre muscolari ed essere impiegato come fonte di energia per la contrazione. Durante un'intensa attività, i muscoli scheletrici ottengono rapidamente energia attraverso il processo anaerobico di glicolisi; l'acido lattico che ne deriva ritorna al fegato, dove viene riconvertito in glucosio. La transaminazione permette la conversione dell'amminoacido alanina in acido piruvico e viceversa. 55 F O N T E d I Sistema ATP‐CP (anaerobico alattacido) Sistema anaerobico lattacido Glicolisi Glicogeno muscolare E N E R G I A Sistema aerobico TEMPO MECCANISMI ENERGETICI del MUSCOLO 56 IN RAPPORTO ALLA DURATA NEL TEMPO CLASSIFICAZIONE BIOENERGETICA DELLE ATTIVITA’ SPORTIVE PROCESSO COMBUSTIBILE POTENZA DURATA TIPO di SPORT REAZIONE di BASE ATP ALTISSIMA FINO A 3” GESTI SINGOLI 8salti, lanci, tuffi) ATLETICA LEGERA ANAEROBICO ALATTACIDO DISGREGAZIONE della Fosfocreatina (CP) ALTA 10” – 15” 100 e 110 hs Lanci (disco, giavellotto, martello, peso) Salti (alto, lungo, triplo, asta) SOLLEVAMENTO PESI -PATTINAGGIO (velocità) ATLETICA LEGERA 800 – 1500 – 400 hs. ANAEROBICO LATTACIDO SCISSIONE del GLICOGENO GLICOLISI ELEVATA 15” – 45” PATTINAGGIO Ghiaccio 3000 mt. - Rotelle 1500 mt. NUOTO 400 mt. ATLETICA LEGERA 200 e 400 piani ANAEROBICI AEROBICI MASSIVI SCISSIONE del GLICOGENO GLICOLISI ELEVATA 45” – 180” PATTINAGGIO Ghiaccio 5 - 10 Km. - Rotelle 3 – 20 Km. NUOTO 50 e 100 mt. stile libero ATLETICA LEGERA 3.000 siepi, 5.000 mt., 10.000 mt., maratona, marcia AEROBICO OSSIDAZIONE degli ZUCCHERI - GRASSI MODERATA SUPERIORI a 180” PATTINAGGIO Ghiaccio 500 mt. - Rotelle 300 mt. NUOTO 800 mt., 1.500 mt. CICLISMO SU STRADA, CANOA AEROBICO ANAEROBICO ALTERNATO 57 SPORT di SQUADRA – TENNIS - SQUASH SISTEMI ENERGETICI 58 Riepilogo Aerobico Anaerobico Lattacido Anaerobico Alattacido Minima Quasi Max Max Illimitata 15” – 45” * 45” – 180” > 160 10” – 15” Norm - > 180 da 2-3’ a giorni da 0” a 120’ 120 - 150 da 0” a giorni 59 UNITA’ MOTORIE del MUSCOLO All'interno di ogni muscolo si riconoscono diversi tipi di fibre, classificate in base alla velocità di contrazione e alla resistenza alla fatica. 60 Le UNITA' MOTORIE DEL MUSCOLO sono fondamentalmente di due tipi (Figura 1 – Figura 2): - Unità motorie lente: dette anche fibre rosse (prevalentemente aerobie e ricche di mitocondri e mioglobina ) o ST o di tipo I. - Unità motorie rapide: o fibre bianche (aerobie e anaerobie, povere di mioglobina) o FT o di tipo II. Le fibre a contrazione rapida si suddividono a loro volta in: - fibre del tipo II A (o FTa) aerobie e anaerobie; - fibre del tipo II B (o FTb) anaerobie. In risposta ad uno sforzo fisico intenso si attivano per prime le unità motorie più lente (FI) e, mano a mano che l'intensità aumenta, si ha un progressivo Figura 1 61 reclutamento delle fibre rapide F IIa – F IIb) Entità della contrazione muscolare e tipo di fibre attivate Figura 2 62 63 Sezione trasversale di biopsia muscolare, colorata con l'enzima ATP-asi acida (duecento ingrandimenti). Si osservano fibre muscolari che reagiscono positivamente e vengono identificate come fibre di tipo 1 (fibre scure) e fibre di tipo 2 che non si colorano (fibre chiare). Le fibre muscolari che rigenerano presentano con questa reazione una colorazione di tipo intermedio. 64 Quesiti 1) Quale e’ la minima unita’ contrattile del muscolo scheletrico? 2) Quali sono le proteine contrattili presenti nelle miofibrille? 3) Quali sono le proteine accessorie presenti nei miofilamenti? 4) Indicare le caratteristiche strutturali della Miosina. In quali filamenti e’ presente la Miosina? 5) Indicare le caratteristiche strutturali dell’Actina. In quali filamenti e’ presente l’Actina? 6) Quale e’ il ruolo svolto dalla Tropomiosina? 7) Quale e’ la sequenza di eventi che conduce alla contrazione muscolare? 8) Quale forma di energia usa il muscolo per produrre lavoro meccanico? 9) Quale e’ l’evento che determina il rilascio di ioni calcio dal reticolo sarcoplasmatico permettendo l’inizio della contrazione muscolare? Quale e’ il mediatore che innesca l’accoppiamento eccitazione-contrazione? 10) Quale e’ la funzione della fosfocreatina? 11) Quali sono le caratteristiche delle fibre muscolari rosse (lente) 12) Quali sono le caratteristiche delle fibre muscolari bianche (rapide) 13) Indicare I meccanismi energetici del muscolo in condizioni aerobiche ed in condizioni anaerobiche.
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