Contrazione muscolare

13/12/2009
Corso di Laurea Magistrale in
“Medicina e Chirurgia”
Biofisica e Fisiologia I
Contrazione muscolare
I muscoli hanno due funzioni: generare movimento
generare forza
I muscoli scheletrici generano anche calore e contribuiscono
alla termoregolazione (in ambiente freddo, il cervello ordina ai
muscoli di contrarsi e questo origina il brivido, che crea calore)
Energia chimica
muscolo
Energia meccanica
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Le fibre muscolari scheletriche appaiono striate e
multinucleate. Controllano i movimenti del corpo.
Sono volontari, si contraggono in risposta
a stimoli che provengono da motoneuroni.
Le fibre muscolari cardiache sono uninucleate e striate.
Si connettono tra loro attraverso dischi intercalari.
Sono involontarie, si contraggono spontaneamente
senza stimoli esterni. L’attività è modulata dal
sistema nervoso viscerale e anche dal sistema
endocrino.
Muscolo liscio è il tipo principale di muscolo degli organi
interni e cavi, come stomaco, vescica, vasi sanguigni.
Cellule uninucleate senza evidenti striature.
Muscolo scheletrico
Connettivo
Fibre
muscolari
Vasi sanguigni
Nervi
Reticolo
sarcoplasmatico
Miofibrille
Sarcolemma
Tubuli T
Nuclei
Sarcoplasma
Mitocondri
Glicogeno
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Fibra (cellula) muscolare
Tubuli T
Reticolo
sarcoplasmatico
Sarcolemma
Mitocondri
Nucleo
Filamento spesso
Filamento sottile
Miofibrilla
FILAMENTI SPESSI
2 catene pesanti (heavy chains)
p.m. 200.000
Miosina:
proteina oligomerica
p.m. 450.000
2 coppie di catene leggere
(light chains) non identiche
p.m.16.000 e 20.000
Nel muscolo scheletrico circa 250 molecole di miosina si 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
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Dominio C-terminale: α-elicoidale
lunghezza 134 nm, diametro 2 nm
(coda della miosina)
Ciascuna catena pesante
Dominio N-terminale: gglobulare
(testa della miosina)
Coda
Ogni coppia di catene leggere è legata al dominio globulare di ciascuna
catena pesante
Snodo
Testa
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Actina G
monomero di actina
pm: 42.000
Tropomiosina: dimero a forma di bacchetta (pm = 70
70.000).
000)
Le due subunità sono avvolte l’una intorno all’altra a formare un’elica.
Ogni molecola è lunga circa 40 nm.
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.
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Troponina
TnT
Legame
Tn-tropomiosina
TnI
Legame
Actina-TnC
TnC
Legame
Ioni Ca++
I filamenti spessi e sottili sono connessi da ponti trasversali, detti anche ponti crociati, costituiti dalle
teste di miosina che si legano lassamente ai filamenti di actina. Ogni molecola di G-atina ha un
singolo sito di legame per una testa di miosina.
Dischi Z: strutture proteiche a zig zag, che fungono da sito di attacco per i filamenti sottili. Un
sarcomero è composto da due dischi Z e dai filamenti tra essi compresi
Linea M: questa banda rappresenta il sito di attacco dei filamenti spessi
linea M
di
disco
Z
di
disco
Z
SARCOMERO
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La titina è una enorme proteina elastica che occupa tutta la distanza tra disco Z e linea
M. Ha la funzione di agevolare il ritorno del sarcomero allungato alla sua lunghezza di
riposo; inoltre stabilizza la disposizione dei filamenti all’interno del sarcomero con l’aiuto
della proteina non elastica nebulina. La nebulina si trova di fianco ai filamenti sottili e si
attacca ai dischi Z. Garantisce l’allineamento dei filamenti di actina del sarcomero.
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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.
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Da cosa è regolato questo processo? Nello stato rilassato la tropomiosina blocca parzialmente i siti di
legame dell’actina per la miosina.
La contrazione viene iniziata quando il Ca2+ si lega alla troponina C. Il legame col Ca2+ cambia la
conformazione della molecola di tropomiosina e scopre il resto del sito di legame per la miosina, così che
questa può completare la propria flessione.
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I segnali per la contrazione muscolare arrivano dal SNC ai muscoli scheletrici per mezzo dei
motoneuroni. L’acetlcolina proveniente dal motoneurone innesca un potenziale d’azione nella fibra
muscolare che a sua volta scatena una contrazione. Questa combinazione di eventi elettrici e meccanici
viene definito accoppiamento eccitazione-contrazione.
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Il reticolo sarcoplasmatico avvolge ogni singola miofibrilla. Il sistema dei tubuli T è strettamente
associato al reticolo sarcoplasmatico ed è in continuità con la membrana di superficie della fibra
muscolare. I tubuli T permettono ai potenziali d’azione che originano sulla superficie cellulare a
livello della giunzione neuromuscolare di passare velocemente all’interno della fibra. Senza tubuli
T, il potenziale d’azione potrebbe raggiungere il centro della fibra solo per diffusione di cariche
positive nel citosol, processo più lento che ritarderebbe il tempo di risposta della fibra muscolare.
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Quando il potenziale d’azione raggiunge un recettore diidropiridina (DHP), la connessione
meccanica fra il recettore e il reticolo sarcoplasmatico apre i canali per il Ca2+ .
L’apertura di questi canali rilascia Ca2+ nel citoplasma, dove gli ioni si possono combinare con la troponina
e permettere di iniziare la contrazione.
Il rilasciamento muscolare si ha quando il reticolo sarcoplasmatico riassorbe Ca2+ per mezzo di una Ca2+ATPasi. Quando la concentrazione citoplasmatica di Ca2+ scende, lo ione si stacca dalla troponina, la
tropomiosina scivola all’indietro per bloccare il sito legante la miosina, e la fibra si rilascia.
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. 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 contenenti ACh.
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. 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 dentro al reticolo
sarcoplasmatico tramite una Ca2+-ATPasi.
11. 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.
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I grafici a destra mostrano i potenziali d’azione nel terminale assonale e nella fibra muscolare, seguiti
dalla curva di tensione della scossa muscolare. Il periodo di latenza rappresenta il tempo necessario
perché il Ca2+ venga rilasciato dal reticolo sarcoplasmatico e diffonda verso i filamenti della miofibrilla.
Un singolo potenziale d’azione evoca una
singola scossa muscolare.
Le scosse sono diverse da fibra a fibra
per la velocità con cui sviluppano tensione
(fase ascendente della curva della scossa),
la tensione massima raggiunta (altezza della curva)
e durata della scossa (ampiezza della curva).
Contrazione fibre muscolari
scheletriche
Forza (Tensione)
Movimento
Resistenza ad un
carico
La tensione generata da un muscolo è direttamente proporzionale
all’interazione tra filamenti spessi e filamenti sottili.
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La tensione sviluppata dalla contrazione riflette direttamente la lunghezza dei sarcomeri prima che la
contrazione inizi. Ogni sarcomero si contrarrà con il massimo della forza se è alla lunghezza ottimale,
né troppo lungo né troppo corto.
La teoria dello scorrimento dei filamenti prevede che la tensione che la fibra muscolare può generare
sia direttamente proporzionale al numero di ponti trasversali che si formano tra filamenti spessi e
filamenti sottili. Se la fibra comincia la contrazione quando il sarcomero è troppo lungo,i filamenti
sottili e spessi sono scarsamente sovrapposti e formano pochi ponti trasversali quindi non possono
generare molta forza. Viceversa se il sarcomero è più corto della sua lunghezza ottimale, i filamenti
saranno troppo sovrapposti per cui i filamenti spessi possono spostare i filamenti sottili per una breve
distanza prima che questi, da opposte estremità del sarcomero, cominciano a sovrapporsi impedendo la
formazione dei ponti trasversali. Inoltre, i filamenti spessi finiscono a contatto coi dischi Z e non
possono formare ponti trasversali per cui la tensione cala rapidamente.
Adenosintrifosfato (ATP)
Fosfato
Adenina
Ribosio
Legame ricco
d’energia
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
g vengono
g
generati a p
g
partire da creatina e ATP q
quando i muscoli
sono a riposo
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ANAEROBIOSI
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Metabolismo Glicidico e Produzione di Energia
Glicolisi:
2 ATP
2 ATP
2 NADH
NADH* (citoplasmatico) x 1.5-2.5
1.5 2.5 ATP/NADH 3-5
3 5 ATP
Metabolismo aerobio:
2 NADH (mitocondriale) x 2.5 ATP/NADH
5 ATP
2 ATP
2 ATP
6 NADH (mitocondriale) x 2.5 ATP/NADH
15 ATP
2 FADH2 (mitocondriale) x 2 ATP/FADH2
4 ATP
Totale: 31-33 ATP
CARATTERISTICHE DEI VARI TIPI DI FIBRE MUSCOLARI
Ossidative lente
muscolo rosso
Velocità
contrazione
Ossidative rapide
muscolo rosso
Glicolitiche rapide
muscolo bianco
molto lenta
intermedia
Attività
ATPasica
lenta
rapida
molto rapida
Diametro
piccolo
medio
grande
Durata
contrazione
molto lunga
lunga
breve
Metabolismo
ossidativo
Colore
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rosso scuro
glicolitico/ossidativo
rosso
molto rapida
glicolitico
pallido
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Fibre muscolari
ossidative lente
Fibre muscolari
glicolitiche rapide
La grande quantità di mioglobina , numerosi mitocondri(M) e un’estesa
rete di capillari sanguigni (cap) distinguono il muscolo ossiodativo a lenta
contrazione (R) dal muscolo glicolitico a contrazione rapida (W).
La forza della contrazione aumenta con la sommazione delle scosse muscolari.
Una fibra muscolare risponde ad uno stimolo (▲) con una scossa. Se gli stimoli sono
separati nel tempo, il muscolo si rilassa completamente tra le scosse.
La durata della scossa è inferiore al tempo intercorrente tra
due stimolazioni successive.
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Quando gli stimoli sono ravvicinati nel tempo, la fibra muscolare non ha il tempo
di rilassarsi e le contrazioni si sommano, generando una contrazione con una
tensione maggiore.
La tensione generata da un muscolo aumenta se
si sommano più scosse singole ravvicinate
Se gli stimoli arrivano molto rapidamente, il muscolo raggiunge la sua massima
tensione. Se il muscolo ha ancora la possibilità di rilassarsi tra gli stimoli, si
realizza il tetano incompleto.
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Se il muscolo raggiunge una tensione costante, è nella condizione di tetano completo.
Tetano completo
E’ quindi possibile aumentare la tensione sviluppata da una singola fibra muscolare
variando la frequenza dei potenziali d’azione nella fibra, che sono scatenati dal
rilascio di acetilcolina da parte dei motoneuroni.
AFFATICAMENTO MUSCOLARE
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