Il muscolo scheletrico
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contrattilità: capacità di contrarsi con forza
eccitabilità: capacità di rispondere agli stimoli
estensibilità: capacità di essere stirato
elasticità: capacità di tornare alla lunghezza
iniziale.
Struttura dell’apparato contrattile
I filamenti muscolari
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Filamenti spessi:
miosina (catene pesanti e catene
leggere)
sito di legame per l’actina
sito si idrolisi dell’ATP (miosina
ATPasi)
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Filamenti sottili:
actina (actina G e actina F)
siti di legame per la miosina
tropomiosina
troponina (troponine T, I e C)
L’organizzazione dei filamenti nel
sarcomero
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La struttura delineata da due linee Z costituisce il sarcomero (unità funzionale dei muscoli)
Banda A: contiene filamenti spessi di miosina
Bande I: sono formate dai filamenti sottili di actina, dalle proteine filamentose associate alle linee Z
Linee Z: delimitano le estremità del sarcomero
Zona H
Linea M: contiene proteine che tengono unite le parti centrali dei filamenti spessi
I tubuli trasversi ed il reticolo sarcoplasmatico
• I tubuli trasversi: permettono il
propagarsi della depolarizzazizione
dalla superficie verso l’interno della
cellula; stabiliscono contatto con le
cisterne terminali del reticolo
sarcoplasmatico e contengono una
proteina voltaggio-dipendente
(recettore diidropiridinico)
• Il reticolo sarcoplasmatico:
costituisce il punto di
immagazzinamento e di rilascio
degli ioni Ca2+ per l’accoppiamento
eccitazione-contrazione; il reticolo
sarcoplasmatico è fornito di un
canale per la liberazione degli ioni
Ca2+ (recettore per la rianodina)
• Gli ioni Ca2+ si accumulano nel
reticolo sarcoplasmatico mediante
l’azione di una pompa Ca2+/ATPasi
• Nel sistema sarcoplasmatico gli ioni
Ca2+ si legano alla calsequestrina
I recettori diidropiridinico e
rianodinico
IL CICLO DEI PONTI TRASVERSALI.
Una miscela di proteine contrattili in vitro cambia
conformazione (si aggrega: actina + miosina =
actomiosina) in presenza di Ca+2 e si disaggrega
se viene rimosso il Ca+2 e aggiunto ATP.
In assenza di ATP il complesso actomiosinico è
stabile (complesso del rigor).
La pompa Ca2+/ATPasi
L’accoppiamento eccitazionecontrazione nel muscolo
scheletrico
Evoluzione degli eventi nell’accoppiamento
eccitazione-contrazione nel muscolo
scheletrico
• L’accoppiamento
eccitazione-contrazione è il
meccanismo che media la
trasformazione del
potenziale d’azione in
produzione di tensione
• Il potenziale d’azione
precede sempre l’aumento
della concentrazione
intracellulare di ioni calcio
che, a sua volta, precede
sempre la contrazione
Le basi molecolari della contrazione nel
muscolo scheletrico
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I potenziali d’azione della membrana della cellula
muscolare si propagano ai tubuli a T.
La depolarizzazione dei tubuli a T provoca un cambiamento
di
conformazione
nel
recettore
diidropiridinico,
determinando
l’apertura
dei
canali
del
reticolo
sarcoplasmatico che lasciano passare gli ioni calcio a livello
del recettore rianodinico
Aumento della concentrazione intracellulare (10-6 M) di
calcio
Gli ioni calcio si legano alla troponina C con modificazione
della conformazione del complesso troponinico
Il cambiamento di conformazione del complesso troponinico
sposta verso l’esterno la tropomiosina e conseguente
interazione tra miosina e actina
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L’actina e la miosina si legano formando i ponti trasversi. Le
teste della miosina impegnate nel ponte trasverso si inclinano
facendo scorrere i filamenti sottili e spessi gli uni sugli altri
con un movimento a cerniera e producendo così sviluppo di
tensione
L’evento meccanico che viene definito come scossa
produce quindi una tensione che è proporzionale al numero
di ponti trasversi formati
Il legame actina-miosina attiva la miosina ATPasi conidrolisi
dell’ATP. Infine, quando i ponti trasversi si rompono, una
nuova molecola di ATP si lega alla testa della miosina e
comincia un nuovo ciclo
Si ha rilasciamento quando gli ioni calcio vengono
riaccumulati nel reticolo sarcoplasmatico (Ca2+/ATPasi).
Quando la concentrazione intracellulare degli ioni calcio
diviene <10-7 M non vi è più un numero sufficiente di questi
ioni per legarsi alla troponina C. Anche in questa fase di
rilasciamento l’ATP viene idrolizzato in conseguenza
dell’attività della Ca2+/ATPasi
Le tappe del meccanismo
dell’accoppiamento eccitazionecontrazione
Teoria dello scorrimento dei
filamenti
• Durante la contrazione i filamenti spessi e sottili
sovrapposti slittano gli uni sugli altri in un processo
energia dipendente, a causa del movimento dei ponti
trasversali tra actina e miosina
Biofisica del sistema contrattile
• I muscoli possono essere rappresentati da due elementi disposti in serie:
- un elemento contrattile
- un elemento elastico
• L’elemento elastico è costituito da una componente passiva (tendine e
formazioni connettivali) ed una attiva (ponti trasversali)
Relazione lunghezza-tensione
• Effetto della lunghezza della
fibra muscolare sulla tensione
che la fibra stessa può
sviluppare
• La tensione può essere
determinata durante una
contrazione isometrica nella
quale il muscolo può
sviluppare tensione partendo
da una lunghezza prestabilita
(precarico), ma non può
accorciarsi
La tensione attiva massimale si sviluppa in corrispondenza della lunghezza
muscolare alla quale si verifica una sovrapposizione ottimale dei filamenti sottili
e spessi che consente la formazione del maggior numero possibile di ponti
trasversali
Relazione forza-velocità
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Effetto della velocità di accorciamento in
funzione della variazione della forza contro
cui il muscolo deve contrarsi, quando cioè il
postcarico viene a variare
La relazione forza-velocità può essere
determinata lasciando che il muscolo si
accorci. In questa situazione è la forza ad
essere fissata e si ha quindi una
contrazione di tipo isotonico
La velocità dell’accorciamento riflette la
velocità alla quale si formano i ponti
trasversali
La velocità di accorciamento è massima
(Vmax)quando il postcarico è zero
La potenza è il prodotto della forza per la
velocità. La massima potenza si sviluppa
per un carico di circa il 30% della Vmax
La regolazione del calcio mioplasmatico nel
muscolo scheletrico
REGOLAZIONE DELLA CONTRAZIONE
SCOSSA SEMPLICE: risposta meccanica ad una
singola stimolazione. Contrazione seguita da
rilasciamento, con sviluppo di forza (o
accorciamento) ridotto; la risposta meccanica
dura almeno 10 volte più a lungo del potenziale
d'azione.
Scossa semplice
REGOLAZIONE DELLA CONTRAZIONE
TETANO INCOMPLETO: risposta meccanica a
stimolazioni ripetute con intervalli più brevi del
ciclo del Ca++ : rilasciamento incompleto e
maggiore sviluppo di forza.
Tetano incompleto
REGOLAZIONE DELLA CONTRAZIONE
TETANO COMPLETO (FUSO): risposta
meccanica alla stimolazione ad alta frequenza
(20-60 Hz). Non avviene rilasciamento e lo
sviluppo di forza (o l'accorciamento) è massimo
Tetano completo
SPIEGAZIONI: progressivo accumulo* di Ca++
intracellulare all'avvicinarsi degli stimoli.
Mantenimento in tensione degli elementi non
contrattili, che sottraggono la maggior parte del
lavoro compiuto dai sarcomeri nella scossa
semplice.
NB * la concentrazione degli ioni calcio nel tetano completo raggiunge
e mantiene per più tempo il suo valore massimo che è lo stesso della
scossa semplice o del tetano incompleto.
Frequenza di stimolazione
La
concentrazione di
Calcio raggiunge
SEMPRE gli
stessi valori
La forza della contrazione può essere graduata dalla stimolazione ripetitiva che
mantiene un’elevata concentrazione del calcio nel mioplasma durante il tetano
completo ed incompleto. I singoli stimoli che provocano singoli potenziali
d’azione sono indicati dalle linee verticali alla base della figura
Vie metaboliche nel muscolo
• Fosforilazione diretta
• Glicolisi
• Fosforilazione
ossidativa
Affaticamento di un muscolo
scheletrico
• Fatica cellulare (fatica
neuromuscolare)
• Fatica generale:
condizione di omeostasi
alterata provocata dal
lavoro fisico