Role of Extracellular Matrix in Adaptation of Tendon and Skeletal Muscle to Mechanical Loading
MICHAEL KJÆR
Physiol Rev 84: 649–698, 2004; 10.1152
La matrice extracellulare (ECM) che si trova nei tessuti dei tendini, intorno e dentro ai muscoli,
assicura il legame funzionale fra le cellule muscolari e l’osso. Segnali derivanti dal carico
meccanico danno inizio ad una cascata di eventi che vanno dall’espressione genica alla
transcrizione, translazione e processi post translazionali che infine regolano la sintesi proteica
dell’ECM. L’ECM consiste di una varietà di sostanze, fra cui fibrille collagene e proteoglicani (PG)
sono ubiquitari, ma ci sono anche PG non collageni. La forza di trasmissione del complesso
muscolo-tendine dipende dall’integrità strutturale delle singole fibre muscolari e dell’ECM, dalla
disposizione delle fibre nel tendine e quindi dalla sua capacità di assorbire e caricare energia. È
inoltre noto che la resistenza alla tensione della matrice si basa su legami crociati intra- e
intermolecolari, sull’orientamento, la densità e la lunghezza delle fibrille e delle fibre del
collagene.
Per meccanotrasduzione si intende un importante meccanismo in base al quale lo stress
meccanico agisce sulle cellule scatenando segnali intracellulari, promuovendone la crescita e la
sopravvivenza, regolandone la morfologia e l’architettura e influenzandone le risposte
metaboliche.
È evidente che nei tendini e nei muscoli qualunque stimolo meccanico può dare inizio ad un
adattamento che renderà il tessuto più resistente ai danni ottimizzando la trasmissione di forza.
L’ECM è un conglomerato di sostanze le cui proprietà biochimiche e biofisiche costituiscono una
rete flessibile che integra le informazioni sul carico convertendole in proprietà meccaniche.
Funziona da supporto per l’adesione delle cellule mediata da integrine, distroglicano e
proteoglicani sulla superficie cellulare e ai recettori della tirosinchinasi. L’interazione fra l’ECM e
le molecole di adesione attiva segnali intracellulari e modifica il citoscheletro. L’ECM libera
anche fattori di crescita. Un ruolo dominante nei rapporti funzionali fra l’ECM e le cellule è
giocato dalle integrine, che costituiscono un vero e proprio organello sensibile allo stiramento.
Le vie intracellulari della meccanotrasduzione compredono una chinasi di adesione focale (FAK),
la paxillina, una chinasi legata all’integrina (ILK-1) e la proteinchinasi attivata dalla mitosi
(MAPK). Quest’ultima è attivata sia dalla contrazione muscolare sia da forze applicate
dall’esterno.
I tendini sono un’organizzazione sistematica e fortemente compatta di tessuto connettivo
dominata da collagene che è organizzato in fibrille, fibre, fasci di fibre e fascicoli, insieme ad
altre componenti dell’ECM. Le cellule dei tendini sono fibroblasti, disposti in catene longitudinali
con numerose appendici a fascia che si propagano nell’ECM e sono collegate attraverso gap
junctions. Queste cellule in coltura rispondono agli stimoli meccanici producendo diversi
componenti dell’ECM
Sezione del tendine. Si vede un fascio di fibroblasti circondato da connettivo lasso.
Immagine laser confocale: fibroblasti adiacenti in un fascicolo; le cellule hanno
prolungamenti a fascia che le uniscono. Sezione trasversale e longitudinale con
evidenziazione della proteina delle gap junctions connessina 43 (verde) e dei nuclei
(rosso). Esiste una rete di comunicazione fra le cellule tendinee.
Rispetto ai muscoli, i tendini sono poco vascolarizzati: l’area occupata dai vasi non supera l’1-2%,
ma il flusso di sangue durante l’esercizio può aumentare fino a 7 volte, che è comunque molto
meno di quanto accade nel muscolo (20 volte). La regolazione del flusso nei tendini è
indipendente da quella nei muscoli.
Componenti ECM nel muscolo scheletrico
Il tessuto connettivo intramuscolare ha molteplici funzioni: costituisce supporto meccanico a
vasi e nervi; garantisce le risposte elastiche passive; la trasmissione di forza dalle fibre muscolari
non si limita a tendini e ossa ma ha anche un andamento laterale fra cellule vicine e fra i fascicoli
del muscolo. Il tessuto connettivo intramuscolare rappresenta un volume pari al 1-10%
dell’intero muscolo, con molta variabilità fra muscoli. L’endomisio avvolge ogni fibra con fibre
collagene sparse che permettono i movimenti durante la contrazione, il perimisio, fatto di fibre a
spessore multiplo è trasversale rispetto alle fibre e le riunisce in gruppi, infine l’epimisio è
composto di due strati di fibre collagene intrecciate e forma una guaina sulla superficie del
tendine.
Il connettivo intramuscolare è soprattutto collagene e serve non solo per organizzare le fibre in
fascicoli ma anche alla trasmissione della forza. Vi sono diversi tipi di collagene: IV: sul sarcolemma; I e III, in piccola misura V: epi- endo- perimisio; I: intramuscolare; gli altri tipi (II, VI, IX,
XI-XVI e XVIII-XIX) sono presenti in minima quantità. Le diverse quantità relative dei vari tipi di
connettivo in muscoli particolari sono associate alle funzioni e al ruolo del connettivo. Nel
periodo perinatale la struttura del connettivo intramuscolare si modifica molto e l’organizzazione strutturale cambia in poche settimane, suggerendo un’interazione fra lo sviluppo del
muscolo e del connettivo intramuscolare.
Struttura del connettivo
intramuscolare:
microscopia a scansione
dopo rimozione delle
proteine muscolari. In
alto a destra
ingrandimento
dell’endomisio che
circonda una singola
fibra muscolare.
Ruolo funzionale dell’ECM nel tendine
È importante riconoscere che il tendine e il connettivo intramuscolare interagiscono strettamente con gli elementi contrattili del muscolo per trasmettere la forza. Le dimensioni del tendine
influenzano la loro capacità di essere stirati e di immagazzinare e rilasciare energia elastica
durante i movimenti riducendo il costo energetico globale nel cammino e nella corsa. Diversi
modelli di soppressione genica di singoli componenti dell’ECM nei topi riproducono vari aspetti
della distrofia muscolare nell’uomo. Inoltre, l’imposizione di carichi compressivi modifica la
composizione dell’ECM.
REGOLAZIONE DEL COLLAGENE E DI ALTRE PROTEINE DELL’ECM: INFLUENZA DEL CARICO
MECCANICO.
La biosintesi del collagene è caratterizzata dalla presenza di un grande numero di modificazioni
post traslazionali delle catene polipeptidiche, che determinano la qualità e la stabilità delle
molecole. Nella cellula, la traslazione di mRNA del preprocollagene avviene nei ribosomi e
l’assemblaggio del procollagene nel reticolo endoplasmatico.
È noto che l’ECM del muscolo scheletrico risponde all’aumento di carico provocato dall’allenamento di endurance, dall’esercizio acuto o da ipertrofia compensatoria sperimentale aumentando l’espressione e la sintesi di collagene nel muscolo. L’esercizio strenuo, in particolare il
sollevamento di pesi che comprende componenti eccentriche provoca danno muscolare.
L’esercizio acuto modifica l’attività metabolica e infiammatoria della regione peritendinea e
aumenta la formazione di connettivo di tipo I durante il ricupero; quindi il carico acuto provoca
adattamenti non limitati al tessuto osseo
Sintesi e degrado del collagene di tipo I. Elenco di potenziali fattori di crescita che regolano
l’attivazione dei geni. TGF-b, transforming growth factor-.; IGF/IGF- BP, insulin-like growth factor
and its binding proteins; IL, interleukin; FGF, fibroblast growth factor; PG, prostaglandin; VEGF,
vasoactive endothelial growth factor. Mitogen-activated protein kinase (MAPK) ha un ruolo
fondamentale nell’avviare l’attività genica mentre le metalloproteinasi (MMP) regolano la
degradazione del collagene in funzione del carico meccanico
La risposta iniziale all’allenamento è un aumento del turnover del collagene I, seguito da più
intensi processi anabolici, Lo schema di stimolazione della sintesi e del degrado con
predominanza di processi anabolici è analogo a quanto accade alle proteine muscolari in
risposta al carico.
EFFETTI DELL’IMMOBILIZZAZIONE
Nel ratto si è dimostrata una riduzione dell’attività enzimatica della biosintesi del collagene sia
nel muscolo sia nel tendine, ma la quantità di collagene non cambia
DEGRADAZIONE DEL TESSUTO CONNETTIVO NEL TENDINE E NEL MUSCOLO: EFFETTI DEL CARICO
MECCANICO
La degradazione del collagene è una tappa obbligatoria del turnover e del rimodellamento del
tessuto in funzione del carico. Vi sono vie intra ed extracellulari che utilizzano rispettivamente la
fagocitosi lisosomiale e le proteinasi dell’ECM. Nell’ambiente extracellulare la degradazione del
collagene è effettuata da MMPs che sono generalmente presenti in forma di precursori, mentre
questi enzimi (e i loro inibitori, le TIMPs) non contribuiscono alla fagocitosi lisosomiale.
Le TIMPs sono spesso attivate contemporaneamente alle MMPs in risposta alla stimolazione
fisica, indicando che c’è allo stesso tempo stimolazione ed inibizione delle degradazione. È
probabile che le MMPs vengano prima e che le TIMPs funzionino come regolatori che limitano la
degradazione.
La possibilità di allungare i tendini varia dall’1-3% (m. estensore) al 3-4% (m. flessore), fino al
16% del tendine d’Achille (coniglio). In cadaveri umani la massima estensibilità arriva al 6%. La
parte libera del tendine permette accumulo e rilascio di energia elastica mentre l’aponeurosi
serve alla trasmissione vera e propria delle forze contrattili.
Il rimodellamento dei tendini comprende aspetti quantitativi (sezione) e/o qualitativi (resistenza
alla tensione). Gli effetti dell’allenamento sono variabili sulle due componenti che spesso non
coesistono
Con l’invecchiamento e nel diabete i legami crociati non specifici (mediati dalla condensazione
di uno zucchero riducente con gruppi aminici) aumentano la glicazione delle proteine tendinee
portando ad una maggiore resistenza tensile ma ad un irrigidimento. Tutto questo riduce la
capacità di adattamento e il turnover del collagene e stimola i fibroblasti aumentando la fibrosi.
È dimostrato che lo stiramento passivo non modifica le proprietà viscoelastiche dei tendini.
Gli adattamenti indotti dal carico sull’ECM, in particolare la sintesi di collagene, dipendono da
ormoni regolatori e fattori di crescita e anche da alcuni canali ionici. Ruolo fondamentale di FGF,
TGF-b, IL-1, IL-6, IGF, IGF-BP (binding-protein)
An overview of the endocrinology of skeletal muscle
Melinda Sheffield-Moore and Randall J. Urban
TRENDS in Endocrinology and Metabolism Vol.15 No.3 April 2004
Gli ormoni sono fondamentali regolatori del metabolismo muscolare in condizioni normali e
patologiche. Il muscolo scheletrico dell’uomo arriva al 40-45% del peso corporeo ed è uno dei
tessuti più attivi metabolicamente, ma le influenze metaboliche che da esso derivano sono
spesso trascurate: il muscolo è una grossa riserva di substrati metabolici ed un importante
bersaglio degli ormoni. Il muscolo è un deposito praticamente infinito di proteine e aminoacidi e
fornisce precursori del glucosio attraverso neoglucogenesi. L’accumulo di proteine si verifica solo
se la sintesi supera la degradazione, mentre c’è perdita quando avviene il contrario. Il bilancio
omeostatico del muscolo dipende da: alimentazione, esercizio, età, malattia. Il processo di
rimodellamento è influenzato dagli ormoni: testosterone, GH, insulina, IGF-I e glucocorticoidi.
Ormoni anabolizzanti: stimolano la crescita del muscolo aumentando la sintesi delle proteine,
riducendone la degradazione o facendo entrambe le cose.
Gli androgeni hanno diverse azioni biologiche perché hanno come bersaglio sia tessuti
riproduttivi, sia altri tessuti, come i muscoli. Malattie che aumentano il catabolismo muscolare
(AIDS) correlano con gli androgeni circolanti. Si stima che il 50% dei maschi >50 anni siano
ipogonadici, anche se spesso asintomatici. L’uso di agenti anabolizzanti per l’ipogonadismo
tipico o per quello traumatico è clinicamente giustificabile.
Lo scopo principale della terapia ormonale negli anziani è di mantenere o migliorare la forza
muscolare. Il testosterone in anziani ipogonadici rallenta la degradazione proteica e aumenta la
sintesi, ma spesso aumenta molto di più la massa muscolare che la forza: questa tende
comunque a diminuire di più della massa negli anziani. Anche le donne subiscono queste
alterazioni muscolari con l’età: i livelli di testosterone circolante diminuiscono di circa la metà da
20 a 40 anni. La terapia sostitutiva è efficace nelle donne pre menopausa, ma molto di più dopo
65 anni.
GH e IGF-1 – nonostante credenze popolari sulle straordinarie proprietà del GH i suoi effetti
sull’anabolismo sono modesti. L’abuso ne deve comunque essere scoraggiato, ma i suoi effetti
potenziali vanno ancora studiati. Supplementazioni di rhGH per 5 anni hanno aumentato la forza
dei flessori del ginocchio e la presa della mano, con maggiori effetti sui muscoli prossimali e
minori nelle femmine: data la lentezza della risposta, rispetto a quella degli androgeni, l’effetto
anabolizzante del GH è stato indicato come minimo. Numerose controindicazioni derivano
dall’effetto neoglucogenetico, che induce al diabete. Più importante la sua azione stimolante
sull’IGF.
Insulina e muscolo scheletrico – L’insulina non si limita a regolare il metabolismo glucidico e
lipidico, ma interferisce con il metabolismo proteico nel muscolo, per il quale è un potente
stimolo, purché siano disponibili aminoacidi.
Estrogeni e muscolo scheletrico – Gli effetti degli estrogeni sono stati poco studiati. Benché il
muscolo possieda recettori per gli estrogeni, questi non hanno sostanzialmente effetti sulla
massa e forza muscolare nelle donne in menopausa. Gli estrogeni anche di origine
extragonadica, anche nei maschi, sono molto importanti per l’omeostasi dell’osso.
Ormoni catabolici – glucocorticoidi e muscolo scheletrico. Insulti traumatici gravi, in particolare
le ustioni, iniziano una risposta ipermetabolica, con forte aumento del cortisolo e diminuzione di
androgeni: parte la degradazione proteica, con fortissimo turnover e fuoruscita di aminoacidi
dalle riserve intracellulari. La perdita di massa magra non si contrasta nemmeno con una dieta
iperproteica.
Miostatina e muscolo scheletrico – La miostatina (GrowthDifferentationFactor-8 ) appartiene ai TGF; è
una proteina che limita l’accrescimento dei muscoli, dove può raggiungere elevate
concentrazioni: la sua importanza è stata riconosciuta quando si è capito che la soppressione del
suo gene caratterizza una razza di bovini che hanno il doppio della massa muscolare; topi con
deficienza di miostatina hanno muscoli ipertrofici ed inoltre hanno maggiore atrofia da
immobilizzazione. La somministrazione di cortisolo stimola la produzione di miostatina.
Functional, structural and molecular plasticity of mammalian skeletal muscle in
response to exercise stimuli
Martin Flück
The Journal of Experimental Biology 209, 2239-2248
La malleabilità del muscolo scheletrico che ne permette il rimodellamento strutturale secondo
le esigenze è un fenomeno particolarmente impressionante nel regno animale. Questa plasticità
si traduce negli adattamenti di forza, resistenza e velocità in seguito a variazioni dei carichi:
questo accade negli atleti nei quali le modificazioni fenotipiche che massimizzano le prestazioni
specifiche sono impressionanti. Un aspetto importante della plasticità è la sua specificità per cui
l’intensità del carico e il numero delle contrazioni muscolari costituiscono gli stimoli per gli
adattamenti. Quindi il profilo delle perturbazioni muscolari esercita un controllo essenziale sul
fenotipo muscolare. Questa rassegna indica le scoperte più recenti sul coinvolgimento
dell’espressione genica in risposta a stimoli di esercizio ripetitivi.
Adattamento all’allenamento di endurance – Le fibre si differenziano verso un fenotipo con alto
volume mitocondriale, aumentata densità capillare e deviazione verso fibre lente. Nell’insieme,
queste modificazioni contribuiscono alla massimizzazione del trasporto di substrati, all’aumento
della capacità respiratoria e delle caratteristiche contrattili nel corso di contrazioni lente e
frequenti che caratterizzano l’esercizio di endurance. Alla base degli aggiustamenti muscolari sta
l’espressione genica in risposta all’attività fisica: singole perturbazioni omeostatiche indotte
dall’esercizio si integrano nella produzione di copie di geni diffusibili (mRNA) che stimolano la
traslazione, nell’apparato ribosomico, delle proteine codificate.
Integrazione di stimoli fisiologici nella risposta fenotipica. Le perturbazioni
omeostatiche indotte dall’esercizio si integrano regolando le alterazioni della
trascrizione genica. Le copie di geni diffusibili istruiscono il rimodellamento
muscolare mediante l’assemblaggio delle proteine codificate.
Processi metabolici nelle fibre muscolari. Il
processo biochimico principale che genera
energia nel muscolo è la combustione di acidi
grassi e carboidrati. I carboidrati sono importati attraverso processi facilitati dai capillari
alle miocellule dove sono depositati come
trigliceridi o glicogeno intracellulare per essere utilizzati in seguito. La metabolizzazione
degli acidi grassi è un processo obbligatoriamente aerobico che avviene nei mitocondri
attraverso beta ossidazione e ciclo di Krebs.
Al contrario, la conversione metabolica dei carboidrati per glicolisi nel citoplasma è indipendente dall’ossigeno e non è necessariamente legata alla respirazione dei mitocondri. Questo porta
alla produzione anaerobica di lattato. La scomposizione delle catene organiche nei mitocondri
produce equivalenti riducenti (e CO2), che portano alla generazione di ATP ossigeno-dipendente,
accoppiata alla catena respiratoria. Le sigle nei riquadri sono proteine cruciali per il trasporto, il
deposito e la conversione nelle vie metaboliche del muscolo. LPL endoteliale entra nel trasporto
di acidi grassi (FA) dai vasi attraverso l’interstizio fino al compartimento intracellulare. H-FABP
trasporta FA nella cellula. HSL libera FA da IMCL. CPTI è un enzima indispensabile per l’assunzione di FA nella matrice mitocondriale. Gli enzimi del ciclo di Krebs Fum e SDH e i costituenti
della catena di trasporto degli elettroni NADH6, COX1 e COX4 realizzano la produzione di ATP.
PFKM rappresenta un passaggio principale per l’ingresso dei carboidrati nella via glicolitica.
I livelli di mRNA delle principali subunità respiratorie mitocondriali sono significativamente
correlati con il volume dei mitocondri, quindi l’adattamento locale del numero dei trascritti
mitocondriali è co-regolato e accoppiato alla respirazione massimale del sistema (VO2max)
durante l’esercizio.
Analisi del tibiale anteriore di biatleti competitivi e controlli rivela aumento contemporaneo di
transcritti genici dei fattori per la mobilizzazione degli acidi grassi. Quindi l’allenamento aerobico
migliora la respirazione mitocondriale e aumenta la capacità del muscolo di importare acidi
grassi dal sangue. La combinazione degli adattamenti espressionali in tappe successive della via
ossidativa nei muscoli allenati riflette il livello locale di coordinamento che contribuisce al
miglioramento sistemico delle capacità aerobiche. La corrispondenza delle variazioni di
espressione genica con adattamenti funzionali della via ossidativa dopo allenamento indica un
preciso circuito molecolare nel muscolo che sta alla base dell’aumentata resistenza alla fatica.
Questa relazione implica uno specifico meccanismo che coordina gli adattamenti genici in base
al reclutamento dei muscoli. L’adattamento del tessuto muscolare all’aumento dell’attività
contrattile avviene probabilmente nella fase di ricupero dopo ogni episodio di esercizio
defatigante. Questo comporta un eccesso di adattamenti cellulari che produce l’accumulo di
risposte rimodellanti incrementali dopo ogni episodio e ripetendo gli esercizi si arriva al
miglioramento della performance. Con tecniche particolari si può seguire l’andamento nel
tempo della produzione di mRNA: si è dimostrata una transitoria stimolazione genica 8 ore dopo
un esercizio al cicloergometro di 30 min. Al contrario, una volta che gli adattamenti muscolari
siano stabili dopo 6 settimane di allenamento questa risposta genica è attenuata: questo è
dovuto all’aumento stabile dei livelli di mRNA e spiega la progressiva riduzione dell’efficacia
dell’allenamento in soggetti allenati.
Microadattamenti dell’espressione di trascritti in relazione all’allenamento. Modello
dell’aumento dell’RNA e della performance con la ripetizione dell’esercizio. Ogni episodio
provoca un eccesso di livello di trascrizione nelle fasi di ricupero. Le linee rappresentano
l’evoluzione dei livelli di RNA e della performance
Time course della risposta muscolare all’esercizio in condizioni di normo (A) e ipossia (B). In A e
B sono riportati le variazioni significative di trascritti della via ossidativa. I principali fattori del
citoscheletro, titina e desmina non sono modificati, a dimostrare la specificità ella risposta
La stimolazione della trascrizione degli enzimi legati al metabolismo dei grassi è attenuata
nell’esercizio in ipossia.
Gli aggiustamenti strutturali e funzionali (rimodellamento) durante l’allenamento derivano
dall’accumulo di risposte nell’espressione genica agli esercizi ripetuti. Il complesso stimolo
costituito dall’esercizio provoca una serie di perturbazioni omeostatiche nei muscoli interessati.
Esse sono recepite come precisi segnali di processo e si traducono nell’attivazione della
trascrizione genica o nella sua stabilizzazione. Le perturbazioni sono di tipo metabolico,
meccanico e ormonale.
Sintetizzando i risultati presentati si conclude che una complessa risposta dei geni riflette la
specificità dell’adattamento muscolare a diversi tipi di esercizio. Vi è una co-regolazione della via
ossidativa, dei cromosomi e dei genomi. L’evidente correlazione fra famiglie di geni e le relazioni
struttura-funzione rivela l’esistenza di un preciso circuito molecolare che regola la via del
metabolismo ossidativo e di un meccanismo a soglia (switch = interruttore) che coordina le
risposte locali all’allenamento
List of abbreviations
ACADL long-chain acyl-CoA dehydrogenase
ACADVL very-long-chain acyl-CoA dehydrogenase
ACADM medium-chain specific acyl-CoA
dehydrogenase
ALDOA aldolase A
ALDOC aldolase C
AMPK 5.AMP-activated protein kinase
CPT1 carnitine palmitoly transferase 1
CYC cytochrome c
COX1 cytochrome c oxidase subunit 1
COX4 cytochrome c oxidase subunit 4
COX5B cytochrome c oxidase subunit 5B
ECH1 enoyl-CoA hydratase
FFA free fatty acids
Fum fumarase
GAPDH glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase
G-6-P glucose-6-phosphate
HADH 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase type II
HADHB 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase B
H-FABP fatty acid binding protein of the heart
HIF-1.,. hypoxia-inducible factor 1.,.
HSL hormone-sensitive lipase
IMCL intramyocellular lipids
PFK phosphofructokinase
JNK c-jun N-terminal kinase
LDH3 lactate dehydrogenase 3
LDL R low-density lipoprotein receptor
LPL alkaline lipoprotein lipase
NADH nicotinamide adenine dinucleotide
dehydrogenase
PFKM phosphofructo-kinase muscle-type
PFKFB1 6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6biphosphatase 1
PPAR. peroxisome proliferator-activated receptor .
PPAR. peroxisome proliferator-activated receptor .
SDH succinate dehydrogenase
Tfam mitochondrial transcription factor
PGC-1. peroxisome proliferator coactivator-1.
VLDLR Very low-density lipoprotein receptor
WT wild type
http://www.unm.edu/~lkravitz/index.html
The Mystery of Skeletal Muscle Hypertrophy
Richard Joshua Hernandez, B.S. and Len Kravitz, Ph.D.
L’esercizio, lavoro muscolare compiuto contro un carico progressivamente più grande, provoca
l’aumento della massa e della sezione dei muscoli: questo si chiama ipertrofia. Ma perché la
cellula muscolare cresce e come fa a crescere? Nonostante una mole notevole di ricerche, non è
ancora del tutto chiaro il quadro completo (e molto complesso) del graduale adattamento del
muscolo a carichi crescenti.
L’ipertrofia muscolare è l’aumento della massa e dell’area di sezione dei muscoli. L’aumento di
dimensioni è dovuto ad un aumento dello spessore (non della lunghezza) di tutte le fibre del
muscolo. Sia il muscolo scheletrico sia quello cardiaco si adattano a carichi di lavoro regolari
crescenti che superano le capacità pre-esistenti del muscolo. Il cuore aumenta la sua funzione di
pompa mentre il muscolo scheletrico diventa più efficiente nel trasmettere forza ai segmenti
ossei attraverso i tendini.
Le cellule satellite facilitano l’accrescimento, la manutenzione e la riparazione del muscolo
danneggiato (non il cuore). Sono chiamate satelliti perché si trovano sulla superficie esterna
delle fibre muscolari fra il sarcolemma e la lamina basale; sono mononucleate e quasi prive di
citoplasma. Normalmente sono dormienti e sono attivate da qualsiasi tipo di trauma o danno
muscolare . Quando si svegliano proliferano e si spostano sul muscolo danneggiato, si fondono
con le fibre preesistenti aumentando il materiale nucleare che serve a rigenerare la fibra.
Il numero di cellule satelliti presenti in un muscolo dipende al tipo di fibre muscolari: le fibre
lente ne hanno 5 o 6 volte di più di quelle veloci.
Il trauma provocato da esercizi di resistenza (soprattutto eccentrici) mette in moto il sistema
immunitario: invasione di macrofagi con secrezione di citochine, fattori di crescita e altre
sostanze, che richiamano altre cellule del sistema immunitario.
Le tre citochine importanti in questo contesto sono: IL-1, IL-6, TNF (chiamate citochine
proinfiammatorie). Promuovono la dissociazione delle proteine, la rimozione di detriti cellulari e
la produzione di prostaglandine.
I fattori di crescita sono proteine altamente specifiche che stimolano la differenziazione e la
divisione di determinate cellule. Particolarmente importanti: IGF, FGF e HGF (epatociti). Questi
fattori collaborano nella stimolazione delle cellule satelliti.
Ormone della crescita (GH). Stimola l’IGF e l’attivazione, proliferazione e differenziazione delle
cellule satelliti. Gli effetti ipertrofici dell’assunzione di GH come anabolizzante sembrano legati
più a ritenzione di liquidi che all’aumento delle proteine contrattili.
Cortisolo. Ormone steroideo legato allo stress che stimola la gluconeogenesi anche attraverso il
catabolismo proteico. Per quel che riguarda l’ipertrofia, inibendo la sintesi delle proteine esso ha
un effetto negativo.
Testosterone. È il principale ormone androgeno e ha i maggiori effetti sugli organi sessuali
maschili, ma anche su sistema nervoso, muscolo scheletrico, midollo osseo, cute e peli del
corpo. Sui muscoli ha un importante effetto anabolico, che contribuisce anche alle differenze di
genere sulla composizione corporea. Stimola l’anabolismo proteico e pertanto l’ipertrofia.
Fibre di tipo I. Si ipertrofizzano notevolmente con sovraccarichi progressivi, non solo con
l’esercizio di resistenza ma anche in qualche misura con l’esercizio aerobico.
Fibre di tipo IIa. Le loro percentuale aumenta con l’allenamento per trasformazione di IIb in IIa.
Il disuso provoca la trasformazione inversa.
Fibre di tipo IIb. Si convertono in IIa con l’esercizio di resistenza che aumenta complessivamente
le capacità ossidative del muscolo migliorando la resistenza alla fatica.
La prima cellula satellite di mammifero: sezione traversa di una fibra del sartorio di
ratto … si vedono le membrane contigue di una cellula satellite (sp) e di una fibra
muscolare (mp); la membrana basale (bm) si prolunga sopra la congiunzione delle
membrane delle due cellule (microscopio elettronico x22.000)
Known knowns, known unknowns and unknown unknowns
Conclusioni: fatti noti, consapevolmente non noti e inconsapevolmente non noti
Cosa sappiamo dunque dopo 50 anni di ricerca sulle cellule satellite del muscolo?
Sostanzialmente, che si tratta di cellule staminali residenti, che forniscono mioblasti per
l’accrescimento del muscolo, l’omeostasi, l’ipertrofia e la riparazione. Poco si sa di come siano
mantenute in uno stato quiescente, mentre si comincia a capire come siano attivate per entrare
nel ciclo cellulare. Una modalità relativamente nuova è la regolazione dei geni da parte di
miRNA. Analogamente, si cominciano ad avere informazioni sul ruolo della nicchia sublaminale
delle cellule satelliti. È molto controverso se le cellule satelliti siano eterogenee o costituiscano
un unico pool, perché alcune si differenziano mentre altre si moltiplicano conservando la riserva
di cellule staminali.
Skeletal muscle remodeling
Matthew J. Potthoff, Eric N. Olson and Rhonda Bassel-DubyCurrent Opinion in Rheumatology 2007, 19:542–549
Il muscolo scheletrico sembra omogeneo nei preparati istologici, ma invece si compone di una
popolazione eterogenea di miofibre che differiscono per proprietà metaboliche e contrattili. Le
miofibre sono classificate sulla base dell’espressione genica delle catene pesanti della miosina
(MHC). Le fibre di tipo I, lente, esprimono MHC I/b, si contraggono lentamente sono ricche di
mitocondri e miosina, hanno metabolismo ossidativo e sono resistenti alla fatica. Le fibre di tipo
II, veloci, esprimono MHC di tipo II, si affaticano rapidamente, si contraggono velocemente e
hanno metabolismo glicolitico o ossidativo. L’espressione genica delle miofibre può cambiare in
risposta alle richieste dell’ambiente mediante l’attivazione di segnali trasduzionali che
promuovono variazioni adattative della citoarchitettura e della composizione proteica. Le
miofibre primarie che esprimono miosine di tipo adulto o embrionale si stabilizzano
precocemente durante lo sviluppo, mentre le miofibre adulte si stabilizzano dopo la nascita e le
miosine adulte sostituiscono quelle embrionali. Hanno un alto grado di plasticità e possono
rimodellarsi fenotipicamente in risposta a stimoli specifici, come il carico contrattile, l’ambiente
ormonale e malattie sistemiche. Per esempio, l’allenamento trasforma preesistenti fibre veloci
nel fenotipo ossidativo e al contrario una riduzione dell’attività neuromuscolare provoca la
trasformazione inversa. È stato stabilito che specifici schemi di impulsi condotti dai nervi motori
esercitano un’influenza fenotipica sui muscoli che innervano
La concentrazione intracellulare di
calcio si eleva in risposta a stimoli
fisiologici e attiva il fattore nucleare
calcineurina della cellule T attivate
(NFAT) e la via fattore stimolante i
miociti 2 (MEF2)-istone deacetilasi
(HDAC), PGC-1, peroxisome
proliferator-activated receptor
coactivator-1; RCAN1, regulator of
calcineurin 1.
L’attivazione della via IGF/Akt/mTOR (mammalian target of rapamycin) stimola l’ipertrofia e
antagonizza la perdita di massa muscolare. Nell’uomo Akt, mTOR e glicogeno sintetasi
aumentano in seguito ad un allenamento di resistenza che induce ipertrofia muscolare. mTOR è
una chinasi attivata da Akt e regola la sintesi proteica sulla base della disponibilità di sostanze
nutritizie. È un elemento importante nella regolazione della massa muscolare dopo la nascita
specialmente quando aumenta il carico sui muscoli. L’atrofia muscolare che capita con
l’invecchiamento, l’immobilizzazione, i voli spaziali, i traumi muscoloscheletrici e molte malattie
cataboliche, è dovuta all’aumento della distruzione proteica mediato dalla via ubuquitina
proteasoma. Sono aumentati due geni: muscle RING finger 1 (MuRF1) and muscle atrophy F-box
(MAFbx/atrogin-1). Vi sono molte prove che uno stato infiammatorio prolungato (età e malattie
croniche) provoca perdita di muscolo. Questo indica che le terapie che controllano
l’infiammazione possono anche curare l’atrofia muscolare.
THE MOLECULAR BASIS OF TRAINING ADAPTATION
(Coffey VG & Hawley JA, Sports Med 2007; 37: 737)
CONTROL OF THE SIZE OF THE HUMAN MUSCLE
(Rennie MJ, Wackerhage H, Spangerburg EE & Booth FW, Annu Rev Physiol 2004; 66: 799)
I muscoli che non lavorano perdono massa e forza (ipotrofia, atrofia;
sarcopenia)
I muscoli sottoposti a tensione (attiva – contrazione, passiva –
stiramento) aumentano massa e forza (ipertrofia)
I muscoli sottoposti ad attività prolungata di bassa intensità
aumentano la resistenza alla fatica e il consumo di ossigeno
ALLENAMENTO (TRAINING)
Effetti specifici dell’aumento di una funzione specifica:
miglioramento della funzione specifica
VARIABILI:
intensità
durata
frequenza
EFFETTI: da carico in eccesso (overload)
Tutte le cellule si modificano (remodeling)
Distruzione/
Ricostruzione/sinte
si proteica
rimozione
segnali
Dimensioni/funzioni
ALLENAMENTO DELLA FORZA
Effetto della prima contrazione massimale
o ripetizioni submax
Forte dipendenza da condizioni iniziali:
scarsa attività
detraining
Fattore principale: volume muscolare,
sezione trasversa
ALLENAMENTO DELLA FORZA
Importanza degli elementi non contrattili
Importanza della disposizione del muscolo
es. pennazione
La forza aumenta anche per migliore attivazione delle unità motorie
ALLENAMENTO DELLA FORZA
La massima forza si esprime con una contrazione eccentrica
Per contrazioni isometriche 1/2 forza
Nelle contrazioni concentriche la forza è inversamente proporzionale
alla velocità
Un movimento reale non può essere perfettamente isotonico, perché la
rotazione intorno alle articolazioni modifica le leve
ALLENAMENTO DELLA FORZA
Effetti:
•Sulla massa muscolare:
•ipertrofia
•iperplasia
•Sul fenotipo (tipi di fibre)
•Sul controllo motorio
ALLENAMENTO DELLA FORZA
Ipertrofia
•Aumento dell’area di sezione: effetto diretto sulla forza sviluppata
•Aumento di lunghezza, per aggiunta di sarcomeri in serie:
spostamento sulla curva tensione/lunghezza
ALLENAMENTO DELLA FORZA
Iperplasia
•Aumento del numero di fibre: dimostrato solo in alcuni modelli animali
•Ruolo delle cellule satellite: vengono sicuramente attivate dallo sforzo
•Più importanti per l’ipertrofia: si fondono con le fibre mature,
fornendo materiale strutturale, in particolare nuclei (e mitocondri?)
ALLENAMENTO DELLA FORZA
Ruolo del SNC
Strategie:
•Aumento della frequenza di scarica: tetano completo.
•Treni d’impulsi: frequenza impulsi nel treno
•durata treno
•aumento frequenza treni
•stimolazione tetanica continua
•Reclutamento di unità motorie
ALLENAMENTO DELLA FORZA
Biologia molecolare
Tournover proteico: 1 g/kg/dì; semivita 7-15 gg
Distruzione/
Ricostruzione/sinte
si proteica
rimozione
Forza
Resistenza ()
segnali
ALLENAMENTO AEROBICO
MECCANISMI CENTRALI
Adattamenti cardiaci
> volume plasmatico
> concentrazione Hb (emoglobina)
*** anemia relativa dell’atleta: spiegazione aumento 2,3 DPG inganno
meccanismo eritropoietina
Coronarie: densità capillare; flusso (ruolo NO)
Migliore distensibilità ventricolare in diastole
ALLENAMENTO AEROBICO
MECCANISMI periferici
> densità capillare (30-40%): migliore diffusione gas; ridotta velocità
di transito
Mitocondri: > numero
> enzimi ossidativi capacità ossidativa
> uso FFA: ruolo di LPL endoteliali migliore economia energetica
(ossidativa)
Accumulo (relativo) di glicogeno
ALLENAMENTO AEROBICO
MECCANISMI periferici
Aumento estrazione ossigeno (Da-v O2)
Aumenta flusso muscolare massimo (iperemia metabolica): ruolo NO
Aumenta concentrazione mioglobina
Stem cells in postnatal myogenesis: molecular
mechanisms of satellite cell quiescence,
activation and replenishment
J. Dhawan and T.A. Rando
TRENDS in cell biology (2005) 15:666-673
Cellula satellite: principale cellula staminale nel
m. scheletrico. Fra la lamina basale e il
sarcolemma
Stato di quiescenza: non si differenziano, non
si moltiplicano
Attivazione fortissima per: esercizio, danno
muscolare, malattie degenerative
Attiva ricostituzione delle cellule satelliti dopo
attivazione per poter ripetere processi
rigenerativi
Lo stato di quiescenza non è una condizione di
semplice inattività, ma di controllo dei processi
trascrizionali
Espressione di proteine tipiche
(riconoscimento) – Miostatina: mantiene la
condizione di quiescenza
Alterazioni della nicchia che contiene le cellule
satelliti ne provocano l’attivazione: stadio
intermedio altamente proliferativo (cell.
Progenitrici)
Nei soggetti anziani le cellule satelliti sono
meno facilmente attivabili, ma quando attivate
proliferano normalmente: il rallentamento
correlato con l’età è legato a fattori
modificabili della nicchia cellulare
Il numero di cellule satelliti rimane costante
nell’adulto: alla prima moltiplicazione cellulare,
solo una delle cellule figlie continua la
differenziazione, mentre l’altra rimane allo
stadio staminale
Mechanotransduction and the regulation of
protein synthesis in skeletal muscle
T.A. Hornberger and K.A. Esser
Proc. Nutr. Soc. (2004) 63: 331-335
La tensione regola la massa muscolare, anche in
vitro: aumenta la sintesi proteica e diminuisce
specularmente la degradazione
Capacità intrinseca del muscolo scheletrico, a
prescindere da fattori di regolazione come:
testosterone, glucocorticoidi, fattori di
crescita
Meccanocezione: accoppiamento di
informazione meccanica con eventi biochimici
intracellulari. Interessa: A) la membrana; B) il
complesso matrice extracellulare-integrinacitoscheletro
A) la membrana: bistrato lipidico allo stato
semiliquido; resiste alla deformazione. Un
aumento della superficie del 2-4% rompe la
membrana. La membrana è sovrabbondante
(100%), formando pieghe, microvilli, caveole.
Questa è una riserva che previene la rottura
Attraverso fessure della membrana avvengono
scambi di liquido extra-intra cellulare, che
attivano eventi intracellulari: questi sono
segnali meccanocettivi
B) il complesso matrice extracellulare-integrinacitoscheletro. Punti di adesione focale (FA):
accoppiamento fisico della matrice extracellulare
con il citoscheletro – esempi: giunzioni muscolotendinee; giunzioni neuromuscolari; linee Z
(costameri).
Gli stimoli meccanici hanno effetti differenziati:
allungamento allunga le fibre; sovraccarico aumenta
la sezione
Changes in muscle mass and phenotype and the
expression of autocrine and systemic growth factors by
muscle in response to stretch and overload
G. Goldspink
J. Anat. (1999; 194: 323-334)
Diversi tipi di cellule rispondono a stimoli meccanici.
Generalmente definiti “meccanociti”: osteociti,
fibroblasti, muscolo schletrico, cardiaco e liscio.
L’espressione genica è influenzata da stimoli meccanici.
La cellula muscolare rappresenta lo stadio teminale di
differenziazione di cellule pluripotenti. Vi sono fattori di
crescita e di inibizione (miostatine); la regolazione è
positiva e negativa
I fattori di crescita provvedono alla riparazione locale
per tutta la vita.
L’ipertrofia indotta dall’allungamento è regolata da
fattori di crescita autocrini
L’allungamento stimola la sintesi proteica (regolazione
della lunghezza durante l’accrescimento). La
combinazione di allungamento e forza (stimolazione) ha
effetti additivi.
Documentato aumento di volume del 35% in 4 giorni;
corrispondente aumento dell’RNA totale del 250%
Fattori meccanici e fenotipo: la frequenza di
stimolazione determina il tipo di fibra (esperimenti di
innervazione crociata). Questo effetto è in parte
indiretto, legato alla deformazione meccanica.
Tutte le fibre muscolari sarebbero veloci finché non
sono sottoposte a stiramento e stimolazione.
Fra i fattori di crescita: IGF1 (insulin-like growth
factor) di tipo muscolare.
