Sarcomero & contrazione muscolare

SARCOMERO

Il muscolo scheletrico prende il suo nome dal fatto che si inserisce sullo scheletro tramite i legamenti, in rapporto con le articolazioni. È composto da una serie di fasci di fibre muscolari. All’interno di una fibra muscolare, le componenti contrattili sono organizzate in miofibrille che presentano la classica alternanza di bande chiare (bande isotrope) e bande scure (bande anisotrope), derivante dal fatto che al microscopio a luce polarizzata riflettono in modo diverso la luce. Quando sono caratterizzate da un unico elemento strutturale, si ha un solo raggio di rifrazione che dà una banda chiara, quando è presente più di un elemento strutturale, si hanno due raggi di rifrazione che danno una banda scura. La banda chiara (banda I) presenta al centro una stria più scura, la linea Z. La banda scura, banda A, all’interno presenta una zona più chiara, la banda H che è attraversata da una stria scura, cioè la linea M. La porzione della miofibrilla compresa fra due linee Z prende il nome di ”sarcomero” che è l’unità funzionale del muscolo striato, cioè la porzione più piccola che presenta le caratteristiche funzionali del sistema muscolare. Quindi il sarcomero è formato da una emibanda I lateralmente (una ad ogni lato), e al centro da una zona più scura, che è la banda A. Le linee Z, all’interno delle bande I (chiara), sono delle strutture proteiche su cui si ancorano i miofilamenti sottili di actina che vanno, da un lato e dall’altro, verso il centro del sarcomero e si sovrappongono ai miofilamenti spessi di miosina presenti nella porzione centrale del sarcomero, cioè nella banda A.

La giusta sovrapposizione dei filamenti è garantita dalle proteine titina e nebulina. La nebulina contribuisce a mantenere l’allineamento dell’actina; la titina (proteina elastica) aggiunge elasticità e stabilizza la miosina. Actina e miosina sono le cosiddette “proteine contrattili” e dalla loro interazione deriva la contrazione muscolare. Se osserviamo una sezione della banda I, si vede una disposizione esagonale ordinata dei filamenti di actina; se osserviamo una sezione della zona H, si vede ugualmente una disposizione ordinata dei filamenti spessi; il centro della banda A è formato solo da filamenti spessi, infatti solo se osserviamo una sezione delle porzioni esterne della banda A vediamo insieme filamenti sottili e filamenti spessi nella zona di sovrapposizione, dove ciascun filamento spesso è circondato da 6 filamenti sottili disposti agli angoli di un esagono.

La linea M, più scura, che attraversa la banda H, ed è la zona dove prendono contatto fra loro le molecole di miosina. La linea M stabilizza la struttura poiché consente al filamento spesso di restare in situ.

Il filamento sottile è dato dalla polimerizzazione dell’actina. L’actina come monomero si trova in forma globulare (actina G); varie actine G polimerizzano formando un filamento che è l’actina F (collana di perle); due filamenti F si avvolgono ad α-elica a formare il filamento di actina; i solchi delle α-eliche del filamento sottile sono occupati da proteine regolatrici della contrazione: i filamenti di tropomiosina, che è una proteina filamentosa, e in punti precisi della tropomiosina si posiziona un’altra proteina regolatrice, la troponina. Quindi lo scheletro portante del filamento sottile è costituito dall’actina (la più abbondante), a cui si aggiungono la tropomiosina e la troponina. Le tropomiosine si associano coda a coda per formare un filamento continuo adagiato in prossimità dell'incavo che si trova tra i due filamenti di actina F avvolti; in questa posizione mascherano i siti di legame dell’actina per la miosina. Una molecola di tropomiosina si estende lungo 7 molecole di actina G ed è presente una molecola di troponina per ogni molecola di tropomiosina. La troponina legata alla tropomiosina forma il complesso regolatore proteico.

Il filamento spesso è formato dalla polimerizzazione delle molecole di miosina. La miosina è costituita da 6 catene proteiche, 2 catene pesanti e 4 catene leggere. È formata da una coda che consiste nelle due catene pesanti avvolte ad α-elica che a un certo punto si separano, interagiscono con altre molecole accessorie e formano due porzioni globulari dette teste. Cioè l'estremità N-term di ogni catena pesante termina con una testa. Nella regione prima di ogni testa sono associate 2 catene leggere. Le varie miosine polimerizzano coda a coda. Se osserviamo un filamento spesso, si nota una zona centrale costituita dalle code delle miosine (linea M) e poi a passi precisi sporgono dal miofilamento le teste delle miosine, disposte verso le 2 estremità del filamento spesso, che sono quelle che interagiscono con l’actina per dare luogo alla contrazione. Nel punto in cui le 2 catene polipeptidiche si separano e prima della testa, è presente una zona “cerniera” caratterizzata da aa particolari che fanno sì che questo collo della miosina possa ergersi sulla coda. Quindi, le 2 proprietà biologiche della miosina sono quella di legare l’ATP e idrolizzarlo (ha una funzione enzimatica ATPasica), e quella di interagire con l’actina.

I siti per l’ATP e per l’actina si trovano nella testa della miosina. Sperimentalmente la molecola di miosina può essere idrolizzata in determinati punti: utilizzando la CHIMOTRIPSINA può essere idrolizzata in 2 porzioni, la “meromiosina leggera” contenente una porzione del collo e le 2 teste, e la “meromiosina pesante” contenente la coda. A sua volta la meromiosina leggera può essere idrolizzata dalla PAPAINA in collo e teste. Ciò indica che nella miosina esistono 2 punti di flessione che permettono alla proteina di flettersi, uno tra coda e collo e uno tra collo e testa.

CONTRAZIONE MUSCOLARE

L’innesco della contrazione richiede l’aumento della concentrazione di Ca²⁺ e richiede energia (ATP). La contrazione è la conseguenza di uno scivolamento (scorrimento) dei miofilamenti sottili di actina delle emibande I, sui filamenti spessi verso il centro del sarcomero, per interazione delle proteine contrattili. Questo scivolamento comporta l’avvicinamento delle due linee Z e una riduzione, quasi fino alla scomparsa, della banda I, mentre la banda A resta invariata perché è il filamento sottile che scivola su quello spesso. Quando il muscolo si contrae si accorcia perché i sarcomeri, che sono posti l’uno in sequenza all’altro, si riducono di lunghezza determinando l'accorciamento della fibra muscolare.

In condizioni di riposo, le teste delle miosine non prendono contatto con l’actina. In condizioni di contrazione, le teste delle miosine riescono ad interagire con il filamento di actina e ruotando su sé stesse spingono in avanti il filamento sottile. A questo punto la testa si stacca dall’actina e successivamente può legare un’altra actina. Si tratta di una serie di cicli, in cui tante teste agiscono in questa maniera contemporaneamente spingendo i filamenti di actina verso il centro del sarcomero. Questo processo è possibile quando l’actina è in grado di interagire con la miosina, infatti la regolazione della contrazione del muscolo scheletrico avviene a livello dell’actina, la quale può avere il sito di legame per la miosina libero o coperto dalle proteine regolatrici (troponina e tropomiosina). In condizioni di riposo, la testa della miosina è energizzata (legata all'ATP) e quindi pronta ad interagire con l’actina ma il sito di legame sull’actina non è disponibile. Il Ca²⁺ che entra si lega al complesso troponina-tropomiosina inducendo in esso un cambiamento conformazionale che sposta la posizione della tropomiosina scoprendo il sito di legame per la miosina presente sull’actina.

Il ciclo del “ponte traverso” (legame tra la testa della miosina e l’actina) è un ciclo che consta di 3 fasi: l’attacco (la miosina lega l’actina); la rotazione della testa della miosina; il distacco, per legarsi eventualmente all’actina successiva. L’ATP svolge 2 ruoli principali: quando viene idrolizzato rilascia l’energia chimica che viene trasformata in energia meccanica; ha un ruolo plasticizzante perché consente il distacco della miosina dall’actina, infatti senza ATP miosina e actina restano legate.

La testa della miosina ha attività ATPasica, quindi è in grado di legare l’ATP e anche di idrolizzarlo in ADP e P_i i quali rimangono legati alla testa della miosina perché il sito dell’ATP è affine. Invece una prima quantità di energia liberata dall’idrolisi (ATP→ ADP+P_i+E) fa sì che la testa si erga sulla coda. Il sito per l’ATP è diverso dal sito di legame per l’actina, i due siti però si influenzano a vicenda: quando la testa della miosina è alzata sulla coda, il sito di legame sull’actina è libero per cui la miosina si lega all’actina; questo legame influisce negativamente sul sito dell’ATP determinando il rilascio dei prodotti di idrolisi dell’ATP; il P_i liberato è altamente energetico e scatena il “colpo di potenza” della contrazione permettendo una rotazione di 45° della testa della miosina che sposterà in avanti il filamento di actina, portando la linea Z più vicina al filamento spesso. A questo punto è liberato anche l'ADP. Una volta libero il sito dell’ATP, una nuova molecola di ATP vi si lega facendo perdere affinità alla testa della miosina per l’actina; quindi, la miosina si stacca dall'actina e l’attività ATPasica della miosina idrolizza nuovamente l’ATP che si è legato ritornando alla condizione di partenza. Il ciclo può ricominciare quando la testa della miosina lega una nuova molecola di ATP e si stacca dall’actina e se è di nuovo disponibile un sito libero sull’actina adiacente, altrimenti seguirà la fase di rilasciamento muscolare.

In un ciclo di attacco-rotazione-distacco viene utilizzata solo una molecola di ATP ai fini energetici, perché la seconda molecola consente il distacco ed è utilizzata soltanto se ci sarà un ciclo successivo; questo è il motivo per cui, se manca l’ATP la testa non può staccarsi dall’actina (condizione del rigor mortis).

Se non c’è il Ca²⁺, che è l’interruttore molecolare della contrazione, i siti sull’actina sono mascherati.

Se arriva il Ca²⁺, questo si lega alle proteine regolatrici e fa in modo che vengano smascherati i siti di legame sull’actina permettendo il legame della miosina con l’actina; questo legame riduce l’affinità della testa della miosina per i prodotti di idrolisi dell’ATP che si distaccano. Questa ulteriore energia ricavata consente la rotazione della testa trascinando verso il centro del sarcomero il filamento di actina. A questo punto, appena una nuova molecola di ATP si lega alla testa, la miosina perde l’affinità per l’actina e si stacca; nuovamente l’attività ATPasica determina la scissione dei prodotti di idrolisi. In assenza di Ca²⁺ l’ATP si lega alla testa della miosina e viene idrolizzato in ADP e P_i solo in parte, perché la miosina non può interagire con l'actina essendo che i siti di legame sono oscurati. Quando invece, in presenza di Ca²⁺, si verifica l’interazione tra actina e miosina, si forma il complesso actomiosina che accelera l’idrolisi dell’ATP e l’energia chimica liberata è trasformata in energia meccanica che permette alla testa della miosina di flettersi “a colpo di remo” e trascinare il filamento sottile. Il sito sull’actina può essere liberato quando aumenta la [intracellulare di Ca²⁺], per mezzo del meccanismo di “accoppiamento eccitazione-contrazione”.

Le cellule muscolari, come le cellule nervose, sono delle cellule eccitabili, significa che il loro p. di membrana può variare generando un p.d’azione. Il p.d’azione della fibra muscolare ha il compito di inviare un messaggio che è l’innesco della contrazione. La membrana di una cellula muscolare (sarcolemma) presenta delle fossette regolari che vengono chiamate tubuli a T o tubuli trasversi. Il p.d’azione si propaga, scende nei tubuli a T e risale per continuare la sua propagazione. In prossimità dei tubuli a T, si trovano i depositi di Ca²⁺ intracellulari rappresentati dal reticolo sarcoplasmatico (RS) dai quali il p. d’azione è in grado di consentirne la liberazione. Nel lato intracellulare, il tubulo a T prende contatto con il RS. Il RS è formato da una serie di tubuli longitudinali che seguono cioè l’asse maggiore della fibra e sono disposti parallelamente alle miofibrille, i quali nella porzione finale si allargano nelle cosiddette cisterne terminali; quindi, un tubulo a T prende contatto con una cisterna da un lato e con un'altra cisterna dall’altro lato, formando una struttura definita “triade”. Le cisterne prendono contatto col tubulo a T per mezzo di un contatto fisico tra dei recettori della membrana del RS, chiamati recettori per la rianodina (chiamati così perché la rianodina è un alcaloide in grado di legare questi recettori inibendoli) e recettori posti sulla membrana del tubulo a T chiamati recettori per la diidropiridina (chiamati così perché il farmaco diidropiridina è in grado di legare inibendo questi recettori). Ogni recettore per la rianodina a sua volta contatta fisicamente un canale per il Ca²⁺ voltaggio-dipendente posto sulla membrana del RS. Quando il p.d’azione, che si propaga lungo il sarcolemma, va a colpire i recettori per la diidropiridina transamembrana (del tubulo a T), questi cambiano conformazione in risposta alla variazione di potenziale. Siccome ogni recettore per la diidropiridina è legato sul lato citoplasmatico con un recettore per la rianodina del RS che a sua volta contatta un canale per il Ca²⁺ del RS, la modifica conformazionale del recettore per la diidropiridina induce una modifica conformazionale nel recettore per la rianodina che a sua volta determina l'apertura del canale per il Ca²⁺. Di conseguenza il Ca²⁺ che è molto concentrato all’interno del RS esce immediatamente per diffusione passiva e aumenta a livello citoplasmatico (sarcoplasmatico). Il Ca²⁺legandosi alla troponina del complesso troponina-tropomiosina determina lo spostamento della tropomiosina smascherando il sito di legame per la miosina sull’actina. Questo meccanismo è detto accoppiamento eccitazione-contrazion. Quando termina il p.d’azione, tutto ritorna alle condizioni iniziali in cui il recettore sul RS occlude il canale ionico per il Ca²⁺. La cellula deve riabbassare la [Ca²⁺] e a tale scopo sulla membrana del RS si trova una pompa ATPasica che ricattura il Ca²⁺ all’interno del RS mediante un trasporto attivo primario perché avviene contro gradiente di concentrazione.

in breve:

Fase I. Una molecola di ATP si lega ad un sito particolare della testa della miosina e viene idrolizzato, dall'attività ATPasica della miosina, ad ADP e P_i (che rimangono legati alla testa della miosina) e l'energia liberata viene conservata sotto forma di una forte tensione della testa;

Fase II. Un’onda di depolarizzazione, provocata dalla liberazione sinaptica di acetilcolina, si propaga lungo il sarcolemma fino ai tubuli T dove attiva il recettore diidropidinico. Questo recettore attivato attiva il recettore rianodinico che si trova sulla superficie delle cisterne del reticolo sarcoplasmatico, che si apre e rilascia il Ca²⁺ che diffonde nel sarcoplasma. Gli ioni Ca²⁺ diffondono nel citoplasma che circonda i miofilamenti e si legano alla troponina C provocandone una modifica conformazionale. La troponina C-Ca²⁺ fa scivolare le molecole di tropomiosina nella doccia del filamento e in questo modo vengono esposti i siti attivi della G-actina che interagisce con la miosina-ADP, in seguito al rilascio del P_i.

Fase III. Il legame miosina-actina induce il rilascio dell'energia che favorisce lo scorrimento dei filamenti sottili su quelli spessi verso il centro del sarcomero.

Fase IV. Una nuova molecola di ATP si lega alla miosina, ciò ne determina il distacco dall'actina. Se lo stimolo persiste e in presenza di Ca²⁺, il complesso miosina-ATP è pronto per un nuovo ciclo.

Alla fase di contrazione, se termina l'impulso nervoso, segue la fase di RILASCIAMENTO. Alla cessazione dell'impulso nervoso, gli ioni Ca²⁺ vengono catturati di nuovo all'interno del reticolo da parte delle pompe per il Ca²⁺ localizzate nelle cisterne terminali. - All'interno del reticolo il Ca²⁺ si lega la calsequestrina, questo provoca una diminuzione della [Ca²⁺] nel citoplasma che avvolge i miofilamenti. Il Ca²⁺ si distacca dalla troponina C. Ciò provoca il mascheramento dei siti attivi dell'actina da parte della tropomiosina. Questo modello spiega il cosiddetto RIGOR MORTIS, cioè l'estrema rigidità post-mortale che si osserva nel muscolo. Dopo la morte, infatti, la regolazione operata dal Ca²⁺ si annulla e come conseguenza si formano molti complessi miosina-actina, inoltre non si ha più la produzione di ATP e quindi questi complessi non possono essere dissociati.

In un sistema di assi cartesiani, la contrazione viene raffigurata come un aumento della forza (tensione muscolare) in funzione del tempo e questo andamento ha la forma di una campana, caratterizzato dal fatto che la forza va crescendo e appena inizia la fase di rilasciamento, pian piano il muscolo cede la forza che ha generato, dovuta alla trasformazione dell’energia chimica dell’ATP in energia meccanica, fino a tornare a zero. Questo andamento prende il nome di “scossa semplice” che è la risposta di una fibra muscolare (che varia la sua lunghezza) ad un p. d’azione. La scossa semplice consta di 3 fasi:

• FASE DI LATENZA: durante la quale nasce il p. d’azione e avviene il rilascio di Ca²⁺. È il periodo tra la nascita del p.d'azione e la nascita della contrazione. Ciò significa che il muscolo risponde con un certo ritardo (di circa 2 msec) all'applicazione dello stimolo;

• FASE DI CONTRAZIONE: in cui il muscolo si contrae perché il Ca²⁺ si lega alla troponina e aumenta la tensione in funzione del tempo;

• FASE DI RILASCIAMENTO: in cui la tensione generata va progressivamente diminuendo. Questa fase dura di più della fase di contrazione ed è associata al movimento di ritorno di ioni Ca²⁺ all’interno delle cisterne terminali.

Potenziale d’azione

Le fibre muscolari scheletriche sono sotto il controllo del SN. Il motoneurone-α (neurone efferente) presenta il corpo cellulare nelle corna ventrali del midollo spinale e la sua fibra nervosa esce dal midollo arriva in prossimità del muscolo dove forma una serie di collaterali, ciascuna delle quali contatta una fibra muscolare. Questo significa che una fibra nervosa può prendere contatto con più fibre muscolari ma una fibra muscolare è innervata soltanto da una fibra nervosa. L’insieme della fibra nervosa e della fibra muscolare innervata prende il nome di “unità motrice” e la sinapsi che avviene tra queste 2 fibre è detta Giunzione Neuromuscolare. È una sinapsi particolare perché la sua organizzazione anatomo-funzionale la rende l'unica sinapsi sicura del nostro organismo. Il motoneurone-α è attivato dalla corteccia motrice; parte il p. d’azione che si propaga lungo l’assone e arriva al terminale assonico a livello della giunzione neuromuscolare. A questo punto viene rilasciata ACh che si lega a recettori nicotinici (recettori canale cationici) integrali del sarcolemma, il sarcolemma si depolarizza e nasce un p. postsinaptico che è un potenziale locale graduato chiamato anche “potenziale di placca” che ha una ampiezza sufficiente da innescare sempre un p. d’azione. Il p. di placca si propaga mediante correnti elettrotoniche nella zona vicina immediatamente esterna alla sinapsi dove si trovano canali Na⁺ voltaggio-dipendenti, questi canali si aprono e la membrana si depolarizza fino al valore soglia, quindi il p.di placca cede il passo al p. d’azione. Il p. di placca, anche se ha una ampiezza elevata, si propaga con decremento e quindi non può giungere ai tubuli a T; per questo genera il p. d'azione che invece può propagarsi senza decremento fino ai tubuli a T dove induce la modifica conformazionale che apre i canali per il Ca²⁺ permettendo al Ca²⁺ di diffondere all’esterno del RS e interagire con le proteine regolatrici. La tropomiosina interagisce con il complesso della troponina che è formato da 3 diverse subunità: la troponinaC lega il Ca²⁺; la troponinaT interagisce con la tropomiosina; la troponinaI inibisce il sito di legame dell’actina. Quando aumenta la [Ca²⁺] citoplasmatica, 4 ioni Ca²⁺ si legano alla troponinaC (la prima calmodulina scoperta), determinandone un cambiamento conformazionale che influisce anche sulle altre subunità, in particolare sulla troponinaT legata alla tropomiosina, la quale si sposta liberando il sito di legame sull’actina e permettendo la formazione del ponte trasverso, conseguentemente ne deriva la contrazione muscolare. Si ha la contrazione fino a quando sono presenti il Ca²⁺ e l’ACh. Quando la segnalazione proveniente dal motoneurone cessa, l'ACh si stacca dal recettore nicotinico e viene idrolizzata e il Ca²⁺viene richiamato nei deposi del RS. Il Ca²⁺ quindi si stacca dalla troponina e la tropomiosina va a mascherare i siti di legame dell'actina per la miosina impedendo di conseguenza la contrazione.

Proprietà del potenziale d'azione

1) Presenta una SOGLIA di attivazione, cioè quel valore di depolarizzazione di membrana (generalmente di 15 mV) al quale si innesca (slide 23).

2) Risponde alla legge del “TUTTO O NULLA”, cioè, in seguito ad uno stimolo, o non c'è o se c'è ha la massima ampiezza che la cellula può dare, ovvero +30mV. Quindi se si ha uno stimolo sottoliminare (troppo piccolo) non si genera il potenziale, invece se lo stimolo è liminare o sovraliminare si genera un potenziale alla massima ampiezza. Quindi il p. d'azione è una risposta massimale a qualsiasi stimolo purché esso sia sufficientemente intenso per indurre una depolarizzazione soglia.

3) Presenta un periodo di “REFRATTARIETA'”, ovvero un periodo di almeno 1msec in cui una cellula che ha già risposto ad uno stimolo con un p.d'azione non può rispondere ad un secondo stimolo, anche se è stimolata di nuovo a intervalli brevissimi. Il periodo di refrattarietà si divide in:

*Refrattarietà assoluta→ è quel periodo in cui la cellula dopo aver ricevuto il primo stimolo non risponde a nessun altro stimolo qualsiasi sia la sua l'intensità.

*Refrattarietà relativa→ è quel periodo in cui la cellula può rispondere solo se riceve stimoli sovraliminari. L'ampiezza dello stimolo deve essere maggiore del primo perché per generare il secondo p. d'azione si deve raggiungere un valore soglia più elevato.

4) Si propaga lungo l'assone senza decremento, cioè sempre con la stessa ampiezza. Ad es. nel motoneurone (con il corpo cellulare nel midollo spinale) il potenziale insorge nel cono di emergenza (subito a valle del corpo cellulare prima dell'assone) e si propaga lungo l'assone con la stessa ampiezza fino alla terminazione a livello muscolare.