Fisiologia del Muscolo PDF

FISIOLOGIA DEL MUSCOLO Un muscolo è un organo effettore che, se opportunamente stimolato da una terminazione nervosa è in grado di contrarsi e quindi di compiere un lavoro Il neurotrasmettitore liberato dal motoneurone è l’acetilcolina. L’acetilcolina si lega ai recettori nicotinici (recettori-can...

FISIOLOGIA DEL MUSCOLO Un muscolo è un organo effettore che, se opportunamente stimolato da una terminazione nervosa è in grado di contrarsi e quindi di compiere un lavoro Il neurotrasmettitore liberato dal motoneurone è l’acetilcolina. L’acetilcolina si lega ai recettori nicotinici (recettori-canale) presenti sulla membrana delle fibrocellule muscolari, la cui apertura provoca un potenziale postsinaptico eccitatorio (potenziale di placca). l muscolo è un organo effettore che, se opportunamente stimolato da una terminazione nervosa, è in grado di contrarsi e quindi di compiere un lavoro Tutte le funzioni fisiche del nostro corpo implicano un’attività muscolare Tutti i muscoli hanno delle caratteristiche in comune prima fra tutte la capacità contrattile A seconda però delle funzioni che sono chiamati a svolgere, mostrano delle peculiarità In base a ciò possiamo fare una distinzione tra muscolatura scheletrica  Il muscolo scheletrico I muscoli scheletrici sono quelli che, inserendosi attraverso i tendini alle estremità ossee, consentono i movimenti dello scheletro e quindi del corpo nello spazio Si contraggono per effetto di impulsi provenienti dal Sistema Nervoso Centrale. Il corpo muscolare è formato da migliaia di fibre muscolari. Ogni fibra muscolare è formata da migliaia di miofibrille. Ogni miofibrilla è costituita da numerosi miofilamenti di actina e miosina. Un muscolo scheletrico e’ costituito da tante fibre (o fibrocellule) muscolari disposte in parallelo. Ciascuna fibra (o fibrocellula) muscolare costituisce una unità cellulare ed ognuna di esse è innervata da un motoneurone.  Una fibra o fibrocellula muscolare è a sua volta costituita da tante miofibrille disposte in parallelo. La muscolatura scheletrica è una muscolatura striata per il suo aspetto microscopico caratterizzato da tante striature di zone chiare e scure che si alternano. L’aspetto striato è dovuto alla particolare organizzazione dei miofilamenti di actina e miosina.  Struttura di una miofibrilla Ogni miofibrilla è costituita da filamenti sottili e filamenti spessi. Filamenti spessi (formati da miosina) Nel muscolo Miosina: proteina oligomerica scheletrico circa costituita da 2 catene pesanti e 2 250 molecole di coppie di catene leggere non miosina si identiche. uniscono a formare un filamento spesso, il quale è sistemato in modo che le teste di miosina si raggruppano all’estremità, mentre la regione centrale è un fascio di code di miosina  Actina: è una proteina globulare, di forma simile ad una sfera (G-actina). Molte di queste molecole si associano tra loro per comporre lunghi e sottili granuli (detti F-actina). Due di queste catene si avvolgono eleicodalmente l'una sull'altra, come due collane di perle, dando origine al filamento sottile. Tropomiosina: dimero a forma di bacchetta. Le due subunità sono avvolte l’una intorno all’altra a formare un’elica. I dimeri di tropomiosina si dispongono in sequenza con disposizione testa-coda, formando un filamento elicoidale. Due filamenti elicoidali si estendono per l’intera lunghezza del polimero actina F. La troponina è un complesso proteico formato da tre subunità polipeptidiche ad alto peso molecolare presente specialmente nel tessuto muscolare e composta da tre proteine: la troponina I, che lega la F-actina, la troponina C che lega gli ioni Ca2+ e la troponina T, che lega la tropomiosina. La titina è una proteina che serve a stabilizzare il filamento spesso, allinearlo centralmente tra i filamenti sottili, prevenire l'eccessivo allungamento del sarcomero, e riportare come una molla il sarcomero alla sua condizione originale dopo l'allungamento. L’alfa-actina andrà a formare i dischi z che fungono da impalcatura per il La miomesina si trova nella linea M; Il suo scopo principale in questo contesto è quello di fornire sarcomero. integrità strutturale collegando le fibre di miosina antiparallele e i filamenti di titina che sono collegati ai dischi Z. La nebulina è una proteina legante l'actina che è localizzata nel filamento sottile dei sarcomeri nel muscolo scheletrico. È una proteina molto grande e lega fino a 200 monomeri di actina. Poiché la sua lunghezza è proporzionale alla lunghezza del filamento sottile, si ritiene che la nebulina agisca come un "righello" del filamento sottile e regola la lunghezza del filamento sottile durante l'assemblaggio  Teoria dello scorrimento dei filamenti Quando un sarcomero si contrae, i filamenti sottili e spessi non cambiano in lunghezza. Il filamento sottile di actina scivola sul filamento spesso di miosina, spostandosi verso la linea M al centro del sarcomero. La banda A non si modifica in lunghezza, ma sia la zona H che la banda I si accorciano mentre i filamenti si sovrappongono. La forza che spinge il filamento di actina è il movimento dei ponti crociati di miosina che legano actina e miosina. La miosina è una proteina motrice che converte il legame chimico dell’ATP in energia meccanica.  La placca neuromuscolare L’impulso alla contrazione della muscolatura scheletrica proviene dal sistema nervoso centrale attraverso i nervi spinali Ogni nervo si dirama in terminazioni ognuna delle quali raggiunge una fibra muscolare Si definisce unità motoria l’insieme del nervo e di tutte le fibre muscolari da esso innervate quindi: ogni fibra muscolare riceve in genere l’innervazione da un’unica fibra nervosa al contrario ogni nervo raggiunge più fibre muscolari (unità motoria) In prossimità della fibra muscolare la terminazione nervosa si sfiocca in tanti rami che terminano con delle dilatazioni.la terminazione nervosa e le sue diramazioni prendono il nome di placca motrice La giunzione tra la terminazione nervosa e la fibra  Quando un impulso nervoso raggiunge la giunzione neuro muscolare accade che parecchie vescicole presenti nella terminazione nervosa e contenenti ACETILCOLINA si liberano nella fessura sinaptica che è l’area compresa tra la membrana nervosa e quella muscolare. L’acetilcolina si lega a recettori specifici posti sulla membrana muscolare. Questo legame provoca a sua volta un’apertura dei canali per il sodio (Na) che entrano nella fibra muscolare. L’ingresso dell’Na modifica la carica elettrica all’interno della fibra e questo genera l’insorgenza di un impulso che si propaga a tutta la fibra muscolare determinandone la contrazione. Quasi immediatamente dopo aver stimolato la fibra muscolare, l’acetilcolina viene scissa da un enzima, la colinesterasi, in acetile e colina e la membrana muscolare è pronta a ricevere un nuovo stimolo un Quando quando un nuovo impulso impulso si diffonde arriva lungo la fibra muscolare, nei tubuli T, che contengono liquido extracellulare, si crea un flusso di corrente elettrica. I tubuli longitudinali sono vicini ma non in comunicazione con i tubuli T. Essi contengono liquido endocellulare ricco di ioni calcio. Il passaggio della corrente nei tubuli T però si estende anche ai tubuli longitudinali provocando come effetto la liberazione degli ioni calcio che vengono a così a trovarsi a contatto con le miofibrille. La presenza degli ioni calcio è fondamentale per il processo di contrazione. 1. L’onda di depolarizzazione provocata dalla liberazione di acetilcolina si propaga lungo il sarcolemma ai tubuli T ove attiva i recettori diidropiridinici (VOCC di tipo L) sensibilizzati dalla variazione di voltaggio. 2. Questi attivano a loro volta i recettori rianodinici posti sulla superficie delle cisterne del reticolo sarcoplasmatico determinandone la loro apertura ed il rilascio di calcio che rapidamente diffonde nel sarcoplasma. 3. Gli ioni calcio diffondono all’interno delle mie miofibrille e si legano alla troponina C (costituente proteico del filamento di actina). Questo legame induce dei cambiamenti conformazionali (prevede il coinvolgimento di un’altra proteina costituente l’actina che è la tropomiosina) che metterebbero allo scoperto i siti attivi di legame dell’actina per le teste della miosina determinando lo scorrimento del filamento di actina sulla miosina (teoria dell’avanzamento o della cremagliera) tutto in presenza diATP.  La contrazione muscolare Tutte le parti costituenti la struttura dei filamenti giocano un ruolo fondamentale nello sviluppo del fenomeno contrattile: come accennato, legate ai filamenti di actina vi sono altre due sostanze, la troponina e la tropomiosina. Esse risultano di primaria importanza in quanto, in assenza di calcio, impediscono lo scorrimento dei filamenti di actina su quelli di miosina. Questo avviene dal momento che, in assenza di Ca2+, la tropomiosina blocca i siti attivi sull’actina. Quando il Ca2+ si lega alla troponina, questa cambia configurazione, spostando la tropomiosina ed esponendo i siti di binding dell’actina per la miosina. Cos` ı facendo, l’actina e la miosina possono interagire. Per quanto riguarda la molecola della miosina, questa presenta due siti di legame, uno per una molecola di ATP ed uno per l’actina. La sua attivit` a ATPasica le consente di idrolizzare l’ATP ad ADP + fosfato inorganico e di utilizzare l’energia cos` ı sviluppata per 1. Stato di rigor: le teste della miosina sono strettamente legate alle molecole di G-actina. In questo stadio non ci sono nucleotidi (ADP o ATP) sul secondo sito di legame della testa di miosina. 2. Una molecola di ATP si lega alla testa della miosina cambiandone l’affinità di legame per l’actina: come risultato, la testa si stacca dalla G-actina. 3. Idrolisi dell’ATP: il sito della testa della miosina che lega l’ATP la idrolizza in ADP e fosfato inorganico. Entrambi i prodotti rimangono legati alla miosina. 4. La miosina lega nuovamente l’actina, con un legame debole: grazie all’energia rilasciata dall’ATP, la testa della miosina compie una rotazione e si lega debolmente ad una nuova molecola di G-actina, distante una o due posizioni dalla molecola a cui era legata prima. A questo punto la miosina possiede energia potenziale, ed è pronta ad eseguire il colpo di forza che fa scorrere l’actina. 5. Rilascio di Pi e colpo di forza: inizia quando il fosfato inorganico ` e rilasciato dal suo sito di legame con la miosina. Quando la testa della miosina ruota verso la linea M (passando da un angolo di 90◦ ad uno di 45◦ rispetto ai due filamenti), tira anche il filamento di actina nella stessa direzione. 6. Nell’ultima tappa del ciclo contrattile, la miosina rilascia l’ADP rimasta. A questo punto, la testa della miosina è strettamente legata all’actina, nello stato di rigor. Il ciclo è pronto a ricominciare quando una nuova molecola di ATP si lega alla miosina. 1. Il potenziale d’azione nel motoneurone somatico raggiunge il terminale assonale. 2. I canali del Ca2+ voltaggio-dipendente si aprono. L’ingresso di Ca2+ innesca l’esocitosi delle vescicole sinaptiche contenentiACh. 3. L’ACh diffonde nello spazio sinaptico e si lega ai recettori nicotinici sulla placca motrice del muscolo. 4. Il legame dell’ACh apre un canale cationico non specifico. Sia l’Na+ che il K+ si muovono attraverso il canale secondo il loro gradiente elettrochimico. L’ingresso netto di cariche positive depolarizza la membrana muscolare, generando un potenziale di placca. 5. Il potenziale di placca è sempre sovrasoglia e determina un potenziale di azione nella fibra muscolare. 6. Il potenziale di azione generato alla giunzione neuromuscolare diffonde lungo la membrana della fibra muscolare, muovendosi verso l’interno della fibra tramite i tubuli T. 7. Il potenziale di azione nei tubuli T attiva i recettori diidropiridina. I recettori DHP aprono i canali del Ca2+ nella membrana del reticolo sarcoplasmatico. 8. Il Ca2+ diffonde fuori dal reticolo sarcoplasmatico e si lega alla troponina, allontanando la tropomiosina dal sito di legame per la miosina. Questa azione permette alle teste della miosina di rilasciare il fosfato inorganico dall’idrolisi dell’ATP e di completare la loro flessione. 9. Al termine della flessione, il ponte trasversale della miosina rilascia ADP e resta legato fortemente all’actina. La miosina deve legarsi a una molecola di ATP per uscire da questo stato di rigor. 10.L’ ATPasi della miosina idrolizza l’ATP in ADP e P, che restano legati alla testa della miosina. La miosina torna indietro e si lega ad una nuova molecola di actina, pronta a eseguire la successiva flessione. 11.La fibra muscolare si rilassa quando il Ca2+ viene rilasciato dalla troponina e la tropomiosina torna a bloccare il sito di legame della miosina. Il Calcio viene ritrasportato MECCANICA DELLE CONTRAZIONI MUSCOLARI Scossa semplice Il fenomeno contrattile innescato da un singolo potenziale d’azione è detto scossa muscolare o scossa semplice. La sua durata dipende dal tipo di fibra muscolare in esame. Nella fibrocellula muscolare si registra un significativo ritardo tra l’eccitamento del muscolo (insorgenza del potenziale d’azione) e lo Il ritardo di pochi millisecondi tra l’eccitamento della fibrocellula (insorgenza del potenziale d’azione) e lo sviluppo della contrazione (tensione) è detto periodo di latenza. Il periodo di latenza è dovuto al fatto che gli eventi che caratterizzano l’accoppiamento eccitazione-contrazione devono avvenire prima che possa iniziare il ciclo dei ponti trasversali e quindi lo sviluppo di forza. In particolare, il periodo di latenza nella curva di tensione della fibra muscolare La scossa semplice consta di 3 fasi: 1. Periodo di latenza 2. Fase di contrazione 3. Fase di rilasciamento La fase di contrazione (di durata compresa tra 10 e 100 ms a seconda del tipo di muscolo) inizia alla fine del periodo di latenza e termina in corrispondenza del raggiungimento del picco massimo di tensione. Nel corso di questa fase la concentrazione intracellulare di Ca2+ aumenta. La fase di rilasciamento (di durata maggiore rispetto alla precedente) inizia al picco massimo di tensione e si conclude con la fine della Una fibra muscolare risponde ad un impulso nervoso proveniente dal motoneurone mediante una singola contrazione detta “scossa semplice”. a) Se i potenziali d’azione ripetuti sono separati da lunghi intervalli di tempo, le fibre muscolari hanno il tempo di rilassarsi completamente prima dello stimolo. b) Se gli intervalli tra i potenziali d’azione si riducono, la fibra muscolare non si sarà completamente rilassata al tempo del secondo stimolo. In questo caso essa sviluppa una contrazione più intensa della c) d) Se i potenziali singola d’azioneIl continuano a stimolare ripetutamente la fibra a intervalli brevi, il scossa semplice. rilasciamento processo è noto tracome le contrazioni diminuirà fino a quando la fibra muscolare non avrà raggiunto uno stato di contrazione massimale noto come tetano. sommazione. Nel tetano incompleto (c) la fibra ha il tempo di rilassarsi leggermente tra uno stimolo e il successivo. Nel tetano completo (d) la fibra non ha il tempo di rilassarsi tra una stimolazione e l’altra, ma La tetanizzazione si verifica, quindi, quando la frequenza degli impulsi supera una certa soglia (variabile in base al muscolo) per cui le scosse muscolari risultano fuse in un’unica contrazione prolungata. In uno stato di prolungata contrazione compare una condizione nota come fatica muscolare che provoca la riduzione della tensione muscolare nonostante il ripetersi degli stimoli. Dal punto di vista biochimico la fatica muscolare è caratterizzata dalla riduzione o dalla scomparsa delle sostanze che costituiscono i depositi energetici (creatinfosfato e glicogeno) contenuti nel muscolo e dall’accumulo di acido lattico. Perché aumenta la forza di contrazione nel fenomeno di sommazione e tetano? Nel corso nella scossa semplice per ragioni di tempo non si attivano tutte le teste di miosina e, quindi, non si verifica lo sviluppo della massima forza contrattile della fibra muscolare prima che i livelli di Ca2+ si riducano e l’apparato contrattile venga disattivato. Quando il motoneurone scarica impulsi ad elevata frequenza provoca nella fibra muscolare rilasci ripetitivi di Ca2+ in tempo sufficiente a far sì che le singole risposte meccaniche possano sommarsi tra loro e produrre una contrazione più prolungata e più potente detta tetano.  Contrazione isotonica e contrazione isometrica Si conoscono due tipi di contrazione: isometrica (senza accorciamento) e isotonica (tensione costante). Esse differiscono per la possibilità o meno che ha il muscolo di potersi accorciare durante la contrazione.  Contrazioni concentriche Contrazione isotonica Una contrazione concentrica è un tipo di contrazione durante Si verifica quando un la quale il muscolo si accorcia mentre genera forza. Questo muscolo sviluppa una accorciamento modifica l’angolo tra i capi articolari. Ad tensione costante tale da far esempio, una contrazione concentrica del bicipite causa il variare la lunghezza del piegamento del braccio all’altezza del gomito, portando la muscolo. Quando la forza mano dalla gamba verso la spalla. Al contrario, una sviluppata dall’elemento contrazione concentrica del tricipite ha un effetto opposto, contrattile è in grado di ovvero distensione del braccio eeccentriche avvicinamento della mano Contrazioni vincere la forza esercitata alla Unagamba. contrazione eccentrica si verifica quando il muscolo si dal carico, l’elemento allunga. Queste contrazioni decelerano i movimenti delle contrattile si accorcia e il articolazioni (comportandosi come “freni” nei confronti delle carico viene spostato Contrazione isometrica contrazioni concentriche) e possono essere volontarie o Si verifica quando un muscolo involontarie. Durante una contrazione eccentrica, il muscolo sviluppa tensione meccanica si allunga sotto tensione a causa di un carico maggiore della mantenendo la stessa forza generata dal muscolo stesso. Al contrario della lunghezza. Ciò avviene ad contrazione concentrica, che causa un movimento esempio quando il carico è dell’articolazione in concordanza con la contrazione, il superiore alla tensione che il muscolo decelera il movimento dell’articolazione. Questo tipo muscolo può sviluppare. Il di contrazione può verificarsi volontariamente (quando il muscolo si contrae e sviluppa muscolo rende fluido un movimento) o involontariamente (es. tensione, stira l’elemento movimento di un carico eccessivo per il muscolo) elastico in serie (tendine), ma Nel breve periodo, sembra che un allenamento che preveda non si accorcia, perché la contrazioni sia eccentriche sia concentriche incrementi Un muscolo contiene sia elementi contrattili che componenti elastiche in serie. Quando il muscolo comincia a contrarsi i sarcomeri si accorciano ma la lunghezza del muscolo rimane invariata per contro bilanciamento degli elementi elastici (contrazione isometrica). Quando gli elementi elastici sono allungati il muscolo si accorcia in una contrazione isotonica.  Tono muscolare Il tono muscolare è uno stato di leggera tensione che i muscoli mantengono in condizione di riposo per effetto di impulsi che il midollo spinale trasmette continuamente ai muscoli scheletrici. Ciò impedisce che essi diventino flaccidi e consente loro di rispondere prontamente all'arrivo di uno stimolo contrattile Il tono muscolare può aumentare o diminuire a seconda delle condizioni fisiologiche dell’organismo. Se una persona è in uno stato ansioso, di paura ,eccitamento o in qualche altra condizione emotiva, il numero di impulsi tonici che parte dal sistema nervoso centrale aumenta ed i muscoli diventano sempre più tesi. Questa è la base dell’eccitabilità degli individui cosiddetti “nervosi” Per contro nel sonno il numero di impulsi nervosi si riduce, permettendo ai muscoli di rilasciarsi Ipertrofia e atrofia muscolare Quanto più si usa un muscolo tanto maggiori divengono le sue dimensioni e la sua forza. L’aumento di dimensioni di un muscolo è chiamato ipertrofia. Il muscolo ipertrofico immagazzina una maggiore quantità di sostanze nutritive, ha un maggior numero di fibrille contrattili e un miglior rendimento (minor energia dispersa). Per contro il non utilizzo di un muscolo porta, in un periodo compreso tra 6 mesi e 2 anni, ad una sua atrofia con progressiva degenerazione delle sue fibre La contrazione del muscolo scheletrico dipende dal rifornimento continuo di ATP. La quantità di ATP presente nel muscolo è sufficiente per otto contrazioni circa. Come fonte di energia di riserva, il muscolo contiene fosfocreatina, una molecola i cui legami fosfato ad alta energia vengono generati a partire da creatina e ATP quando i muscoli sono a riposo.