12 ‐ Fisiologia del muscolo scheletricoLe cellule muscolari sono specializzate nella conversione dell’energia chimica in energia meccanica: l’idrolisi dell’ATP è u8lizzata per generare forza ed eseguire lavoro:I 8pi di base di muscolo sono 3:

• muscolo scheletrico: muscolo striato, soAo controllo volontario, garan8sce la postura, la locomozione, il linguaggio e la respirazione

• muscolo cardiaco: muscolo striato, involontario (possiede un pacemaker intrinseco modulato dal SNA)

• muscolo liscio: non è striato, è involontario, riveste la parete degli organi caviLa forza è generata dall’interazione tra ac8na e miosina, in un processo che richiede incremen8 transitori della concentrazione intracellulare di Ca2+

ORGANIZZAZIONE DEL MUSCOLO SCHELETRICOFIBRE MUSCOLARIIl muscolo è formato da cellule deAe fibre muscolari, circondate da endomisio

• le fibre muscolari si raggruppano in fascicoli, circonda8 da perimisio (contenente nervi e vasi)

• i fascicoli si uniscono a formare i muscoli, circonda8 da epimisio, che li àncora alle ossa

Le cellule sono soMli e lunghe (fino a 25 cm); all’interno di ogni fibra, si trovano fasci di filamen8, le miofibrille; queste sono formate da filamen8 soMli e spessi, la cui disposizione regolare, insieme all’allineamento delle fibrille, determina la striatura; le miofibrille sono suddivise longitudinalmente in sarcomeri:

• il sarcomero è l’unità funzionale del muscolo scheletrico: è un’unità contraVle ripe88va di lunghezza pari a 2 μ

• ai la8, è delimitato dalle linee Z

• su entrambi i la8 delle linee Z (in 2 sarcomeri appaia8), si trova la banda I chiara

• l’area tra le due aree I di un sarcomero (quelle appartenen8 a due linee Z consecu8ve) è la banda A

• all’interno di ogni banda A si trovano:

• simmetricamente ed esternamente, due aree scure

• simmetricamente ed internamente a queste, sue aree chiare, la banda H

• una linea scura che fa da asse di simmetrica, la linea M

• le zone chiare sono occupate da un solo 8po di filamen8:

• la banda I presenta solo filamen8 soMli

• la banda H presenta solo filamen8 spessi

• le zone scure sono occupate da entrambi i 8pi di filamen8, che si sovrappongono (parte esterna della banda A)

All’interno del sarcomero, quindi, si riscontrano due 8pi di filamen8:

• i filamen8 soMli sono compos8 da ac8na:

• si estendono dalla linea Z verso il centro del sarcomero, fino al bordo della banda H

• si formano per aggregazione di molecole di G‐ac8na a formare un doppio filamento ad elica di F‐ac8na

• all’F‐ac8na si associano la nebulina, la tropomiosina e i complessi tropioninici

• la tropomiosina si estende sull’ac8na (nei solchi), coprendo i si8 di legame per la miosina; è organizzata in dimeri (fila a doppia elica) allinea8 in serie (configurazione testa a coda), ognuno dei quali si estende per 7 ac8ne

• le tropionine sono presen8 sulle tropomiosine, influenzandone la posizione (e quindi l’esposizione del sito di legame); la tropionina T lega la tropomiosina; la I facilita l’inibizione del legame della miosina operato dalla tropomiosina; la C lega il Ca2+: il legame col Ca2+ favorisce l’esposizione dei si8 di legame

• altre proteine associate: tropomodulina, alfa‐ac8nina, capZ

• i filamen8 spessi sono compos8 da miosina

• sono pos8 centralmente, con partenza dalla linea M, e si estendono fino a tuAa la banda A; da qui, vengono un88 alle linee Z tramite la proteina 88na; nella regione di sovrapposizione (il traAo esterno della banda A), ogni miosina è circondata da 6 ac8ne disposte esagonalmente

• la miosina è una proteina formata da 6 polipep8di:

• 2 catene pesan8, legate a formare un’α‐elica; la porzione N‐terminale forma la testa globulare, la porzione che si lega all’ac8na e che possiede capacità di idrolizzare ATP

• 2 coppie di catene leggere associate alla testa, nella regione del ponte trasversale (braccio + testa; il filamento spesso si piega  e si proieAa fuori dal suo asse per il legame con l’ac8na)

• le 2 catene leggere essenziali, cri8che per l’aVvità ATP‐asica

• le 2 catene leggere regolatorie che influenzano il legame con l’ac8na

• la miosina ha disposizione bipolare, con partenza delle code (“configurazione coda a coda”) dalla linea M verso le 2 linee Z del sarcomero

Ciascuna miofibrilla è circondata dal re8colo sarcoplasma8co, una rete di membrane intracellulari, affiancate a un sistema dis8nto di membrane, i tubuli T: ques8 sono invaginazioni del sarcolemma, presen8 in corrispondenza della banda A. Nel RS, si dis8nguono le cisterne terminali, affiancate ai tubuli T, che rappresentano la sede di rilascio del Ca2+, e la porzione longitudinale che conneAe le cisterne, sede dell’accumulo di Ca2+ (con Ca2+‐ATPasi)

1

CONTROLLO DELL’ATTIVITÀ DEL MUSCOLO SCHELETRICONERVI MOTORI E UNITÀ MOTRICII motoneuroni lasciano il midollo spinale dalla sua radice ventrale, e il loro assone si ramifica nel muscolo; ogni loro terminazione innerva una singola fibra muscolare. L’unità motrice è l’unità funzionale contraVle, ed è rappresentata da una fibra nervosa e da tuAe le fibre muscolari che innerva; tuAe le fibre di un’unità motoria si contraggono in modo sincrono. Le dimensioni (numero di fibre innervate da un solo neurone) dell’unità motoria sono varie, e dipendono dalla funzione del muscolo: piccole unità motorie se serve un fine controllo di movimento, grandi unità motorie se serve molta potenza. L’unione tra il nervo e le fibre muscolari avviene a livello della giunzione neuromuscolare, dove il potenziale d’azione presinap8co determina la liberazione di ACh; questa determina un potenziale di placca nella fibra muscolare, e il successivo inizio del potenziale d’azione, che si diffonde lungo la membrana della cellula muscolare; la durata del PDA varia a seconda del 8po di muscolo (5 ms nello scheletrico, 200 ms nel cardiaco)

ACCOPPIAMENTO ECCITAZIONE‐CONTRAZIONEQuesto potenziale d’azione, propagandosi sulla cellula muscolare, determina un rapido aumento (20 ms) della concentrazione intracellulare di Ca2+, che promuove le interazioni tra ac8na e miosina, e quindi la contrazione.Il Ca2+, prima dell’arrivo del potenziale, è sequestrato nel RS; per liberarlo è quindi necessaria un’interazione tra  il sarcolemma che conduce il PDA e la membrana del RS.InfaV, il sarcolemma presenta delle invaginazioni, i tubuli T (contenen8 liquido extracellulare), e queste specializzazioni sono in gradi di interagire con il Re8colo Sarcoplasma8co: un tubulo T e le 2 cisterne terminali dei RS ad esso affiancate formano una triade. Tra gli elemen8 della triade si trovano dei pon8 proteici, deV piedi o pedicelli, che aAraversano i 15 nm che li dividono. Ques8 piedi sono canali Ca2+ della membrana del RS, che oltre al dominio transmembrana presentano un dominio proieAato verso la membrana del tubulo, la cui apertura permeAe l’efflusso di Ca2+ nel mioplasma; sono chiama8 receTori della rianodina RYR. L’apertura di ques8 canali è determinata dall’interazione del dominio proieAato verso i tubuli (quindi occupante quella streAa porzione di mioplasma tra le cisterne e i tubuli) con la membrana dei tubuli stessa, o meglio con specifiche proteine di questa, deAe receTori della di‐idropiridina DHPR. Ques8 receAori sono canali Ca2+ voltaggio‐dipenden8: la loro variazione di conformazione dovuta al passaggio del potenziale d’azione induce un’interazione con RYR, che determina l’apertura di quest’ul8mi, e la liberazione di Ca2+ nel mioplasma.

• a RYR e DHPR sono associate la triadina (che partecipa alla loro interazione) e la calsequestrina (che fissa il calcio con bassa affinità, garantendo un immagazzinamento a elevate concentrazioni di C2+ nelle cisterne terminali)

Se la liberazione di Ca2+ determina infine la contrazione muscolare, per rilasciare il muscolo è necessario sequestrare il Ca2+ nel RS. La captazione del Ca2+ è garan8ta da una pompa Ca2+, la Ca2+‐ATP‐asi del re8colo sarcoplasma8co, deAa SERCA (presente in tuV i re8coli endoplasma8ci); trasporta 2 Ca2+ nel lume del RS per ogni ATP idrolizzato

INTERAZIONE ACTINA ‐ MIOSINA: FORMAZIONE DEI PONTI TRASVERSALIIl meccanismo con il quale la concentrazione intracellulare di Ca2+ regola la contrazione dipende dall’interazione tra il Ca2+ stesso e le proteine associate ai filamen8 soVli; si può quindi dire che il processo di contrazione è regolato dal filamento soMle. La forza contraMle, o tensione, aumenta in modo sigmoide con l’aumento della concentrazione di Ca2+ (che deve essere almeno di 0,1 μM).

Il Ca2+ si lega alla troponina C: questa interazione favorisce il movimento della tropomiosina associata; si libera così il sito di legame per la miosina. Il legame tra la miosina e l’ac8na avviene tramite formazione di un ponte trasversale.

• sulla troponina C sono presen8 4 si8 di legame per il Ca2+:

• 2 ad alta affinità (anche per Mg2+): sono coinvol8 nel controllo e nell’incremento dell’interazione tra le troponina I e T

• 2 a bassa affinità, che legano Ca2+ solo quando le sue concentrazioni con8nuano ad aumentareUna volta avvenuto il legame con la miosina, la molecola di tropomiosina che è stata spostata induce lo scivolamento di un’altra molecola di tropomiosina con8gua (la streAa vicinanza e la conformazione testa‐coda permeAono questa influenza)

CICLO DEI PONTI TRASVERSALI E ACCORCIAMENTO DEL SARCOMEROSecondo la teoria dello sliTamento dei filamen8, l’accorciamento del sarcomero dipende dal movimento dei filamen8 di ac8na verso il centro del sarcomero, provocato dal legame con la miosina e da un successivo cambio conformazionale della miosina stessaL’insieme di ques8 processi cos8tuisce il ciclo dei pon8 trasversali:

• allo stato di riposo, la testa dei pon8 trasversali si lega con l’ATP e lo idrolizza. I prodoV, ADP e Pi, rimangono lega8. L’idrolisi dell’ATP causa un cambio conformazionale: infaV, in questo stato, la testa si estende perpendicolarmente verso l’ac8na.

• il rilascio si Ca2+ permeAe l’interazione di questo con il complesso troponina ‐ tropomiosina, inducendo l’esposizione dei si8 di legame per la miosina sull’ac8na;

• una volta che i si8 sono espos8, la miosina si lega all’ac8na; il legame provoca un cambio conformazionale nella testa, che si inclina verso il ponte trasversale. L’inclinazione della testa, che è legata all’ac8na, provoca il movimento dell’ac8na stessa; è avvenuto quindi il power stroke, la cui energia era immagazzinata nella conformazione della testa (quando questa è perpendicolare, è come se fosse una molla carica, che libera energia quando può piegarsi, ovvero nel momento in cui avviene il legame con l’ac8na)

• quando la testa si è piegata, è permesso il rilascio di ADP e Pi

• un nuovo ATP si può legare, causando il distacco della testa dall’ac8na

• il nuovo ATP viene idrolizzato dando inizio ad un nuovo ciclo

In sintesi, il ciclo dipende dalla conformazione della testa di miosina, a sua volta dipendente dall’aVvità ATP‐asica e dal legame con l’ac8na:

• la conformazione perpendicolare si ha quando sono presen8 sulla testa ATP oppure ADP e Pi (derivan8 dall’idrolisi di ATP), e termina quando la testa si lega all’ac8na

• la conformazione piegata si ha quando la testa si lega all’ac8na e rilascia ADP e Pi, e termina quando si lega ATP; le teste sono inclinate verso il centro del sarcomero (nella direzione di trazione dell’ac8na)

2

Ogni power stroke muove il filamento di ac8na di 10 nm; il ciclo con8nua finchè sono presen8 Ca2+ e ATP. Se si esaurisce ATP, non è possibile staccare la testa di miosina piegata dal filamento di ac8na, determinando rigidità muscolare; ciò avviene dopo la morte, e questo stato è chiamato rigor mor8s.L’orientamento bipolare delle molecole di miosina e la loro disposizione ad elica verso i 6 filamen8 di ac8na che circondano ogni molecola, garan8scono un’azione con8nua della miosina sul movimento dell’ac8na verso il centro del sarcomero.Ogni filamento spesso avrebbe 600 teste di miosina, e per ogni testa ci sarebbero 1,8 molecole di ac8na; solo il 20 ‐ 40% delle teste è contemporaneamente legato all’ac8na. La conversione dell’energia chimica (ATP) in energia meccanica è molto efficiente, pari al 40 ‐ 57%.

LA FORZA CONTRATTILE DIPENDE DAL LIVELLO DI ATTIVAZIONE DI CIASCUNA FIBRA MUSCOLARE, OLTRE CHE DALLA SUA LUNGHEZZA E DALLA SUA VELOCITÀ DI CONTRAZIONELa forza totale del muscolo deriva dalla somma della sua tensione passiva e della tensione aMva istantanea generata dai pon8 trasversali. La tensione aCva dipende dal numero di pon8 trasversali che si formano (quindi dalla s8molazione nervosa e dalla conseguente liberazione di Ca2+) e dalla forza prodoAa da ciascun ponte trasversale (dipendente dalla lunghezza del sarcomero, cioè dal suo stato di s8ramento, e dalla sua velocità di accorciamento, dipendente dal carico ‐ vedi 8pi di fibre) 

LA FORMAZIONE DEI PONTI TRASVERSALI DIPENDE DALLA DISPONIBILITÀ DI CALCIO IONIAbbiamo visto come Ca2+ sia sequestrato nel RS e ne venga liberato in seguito all’arrivo di un potenziale d’azione generato da un EPP (per interazione DHPR ‐ RYR), e di come un suo aumento della concentrazione intracellulare permeAa l’interazione con il complesso troponina ‐ tropomiosina determinando l’esposizione dei si8 di legame per la miosina presen8 sul filamento di ac8na.La liberazione di Ca2+ è molto rapida, ma occorrono 20 ‐ 50 ms perchè si compiano tuV i processi che portano alla formazione dei pon8 trasversali.  Nel fraAempo, la concentrazione di Ca2+ liberi diminuisce rapidamente per via del meccanismo di riassunzione da parte delle SERCA: nel giro di 80 ‐ 200 ms la forza contraVle si esaurisce. In seguito a un singolo PDA, si può osservare quindi una sola contrazione a scossa

• nella contrazione a scossa, le fasi di aumento e di diminuzione della tensione aVva hanno decoris temporali diversi, in quanto corrispondono a processi con diversa dipendenza dal tempo (liberazione / riassunzione Ca2+)

• la quan8tà per unità di tempo di Ca2+ liberato è sempre la stessa, solo che nel caso di una liberazione non protraAa nel tempo il Ca2+, diminuendo rapidamente, non ha il tempo per aVvare tuV i si8 di legame dell’ac8na e quindi il numero di pon8 trasversali che si formano è basso: la forza è piccola (inoltre non riesce a s8rare l’elemento elas8co in serie nel sarcomero, rappresentato dal collo della miosina)

Se insorge un altro potenziale d’azione prima che tuV gli ioni Ca2+ libera8 precedentemente vengano sequestra8, il numero di pon8 trasversali che si formano è maggiore, e si sviluppa una forza più elevata, che raggiunge un livello medio stabile, ma con visibili oscillazioni: questa condizione è deAa tetano imperfeToPiù elevata è la frequenza dei PDA, maggiore sarà la forza che verrà sviluppata, finchè non si raggiunge una  condizione caraAerizzata dall’aVvazione prolungata di tuV i si8 di legame e da uno sviluppo della forza privo di fluAuazioni: tetano completo (cessata la s8molazione, è anche visibile un ritardo nel ritorno della forza al livello di riposo)

CONTRAZIONE ISOMETRICA ‐ RELAZIONE TENSIONE‐LUNGHEZZALa lunghezza viene mantenuta costante, mentre viene misurata la forza generata durante la contrazione; dopo aver misurato la forza passiva esercitata dal muscolo non s8molato, si s8mola il muscolo e si misura la forza totale per ogni valore di lunghezza. SoAraendo la forza passiva dalla forza totale si oVene la forza aMva per ogni valore di lunghezza.La forza è massima per valori di lunghezza vicini alla lunghezza oMmale, dalla quale inizia poi la forza passiva. La campana determinata dalla forza aVva indica che a livelli estremi di lunghezza del sarcomero non si produce forza, in quanto le interazioni ac8na‐miosina non sono possibili (o perchè il sarcomero è compresso, con rela8va distorsione delle molecole, o perchè il sarcomero è s8rato e ac8na e miosina sono troppo distan8 tra loro).

CONTRAZIONE ISOTONICA ‐ RELAZIONE FORZA‐VELOCITÀIn questo caso l’apparato sperimentale non man8ene il muscolo in una lunghezza fissa, ma man8ene un carico fisso sul muscolo. Per ogni valore di carico il muscolo deve produrre una forza uguale ed opposta; la velocità di accorciamento varia con l’en8tà del carico, e quindi con la forza prodoAa. Il carico infaV rappresenta una forza s8rante che si oppone alla contrazione, diminuendo la probabilità di formazione dei pon8 trasversali quanto più è maggiore. Quindi la velocità di contrazione del muscolo diminuisce con l’aumentare del carico sul muscolo, almeno fino a un valore di carico oltre il quale la velocità diventa nega8va, a significare che dall’accorciamento si è passa8 all’allungamento del muscolo (il carico supera la forza prodoAa ‐ lavoro eccentrico).Per i valori Vmax (in assenza di carico) e P0 (in condizioni isometriche, in quanto il muscolo rimane alla stessa lunghezza), il muscolo non compie lavoro esterno, ma solo lavoro interno (consumo di ATP per il ciclo dei pon8 trasversali); tra ques8 due valori, invece, esercita una certa potenza, ovvero lavoro (forza su spostamento) su tempo, massima per un valore pari al 30% della massima forza sviluppabile.

3

forza singole

fibre

sommazione delle

contrazioni

numero sarcomeri in parallelolunghezza

singoli sarcomeri

variazioni della

lunghezza della fibra

diametro fibra

frequenza di stimolazione

numero fibre attive

reclutamento

FORZA CARICO= -

Velocità

n° di sarcomeri (ponti

trasversali) x fibra

isoforma di miosina (tipo

di fibra)

maggiore è il carico,minore è la probabilità di

formazione dei ponti trasversali

La curva permeAe di calcolare anche il rendimento meccanico oMmale, rapporto tra lavoro eseguito e ATP consumato, pari al 40% ‐ 45%La velocità di consumo di ATP segue la velocità dell’accorciamento.La velocità di accorciamento dipende da diversi faAori: il carico, il 8po di fibre (isoforma della miosina, che determina il 8pico Vmax di ogni 8po di fibre) e dal numero di sarcomeri, e quindi di pon8 trasversali possibili (maggiore è il numero di sarcomeri in serie, maggiore è la velocità), presen8 in una fibra

In conclusione, si può pensare così: i muscoli, per effeAo delle relazioni che incorrono tra le forze aVve e passive e la loro lunghezza (vedi relazione forza‐lunghezza), si comportano come molle, in quanto aumentano la loro forza mano a mano che vengono allunga8. Ciò è poi riscontrabile nella relazione tra la forza e la velocità di contrazione (relazione forza‐velocità): se aumenta la velocità di contrazione, vuol dire che il muscolo si riscontra in una conformazione contraAa, nella quale può sviluppare poca forza per via delle caraAeris8che meccaniche paragonabili a quelle della molla (vedi la legge di Hook); minore la velocità di contrazione, minore è lo stato di contrazione, maggiore è la forza istantanea prodoAa (come si è visto in condizioni isometriche, maggiore è la lunghezza, maggiore è la forza totale). Una diminuzione della velocità, addiriAura fino a valori nega8vi, determina quindi una maggiore forza, massima durante l’allungamento del muscolo (appunto, i valori nega8vi, almeno fino al punto di roAura)

TIPI DI MUSCOLO SCHELETRICOI muscoli possono essere classfica8 in muscoli a scossa rapida o lenta. La velocità di contrazione è correlata all’aMvità ATP‐asica della miosina, dela quale esistono 2 isoforme diverse. Le fibre rapide sono di 8po IIA e IIB, quelle lente sono di 8po I.Ecco le principali differenze tra i diversi 8pi di muscolo:

TIPO I: lento ossida8vo (rosso) TIPO IIB: veloce glicoli8co (bianca)

TIPO IIA: veloce ossida8vo (rosso) rara nell’uomo

Isoenzima della miosina (velocità di ATP‐asi e di contrazione)

lento veloce veloce

Via metabolica fosforilazione ossida8va (aerobico): mol8 mitocondri, molta mioglobina (riserva O2; colore rosso)

gicoli8ca (anaerobico): pochi mitocondri, RS molto sviluppato, riserve di glicogeno; producono ac. laVco

sia glicoli8ca che ossida8va (capacità aerobica)

Affa8camento lento: u8lizzate per aVvità prolungate (postura)resisten8 alla fa8ca

rapido: u8lizzate occasionalmente per breve tempo (susceVbiili a fa8ca)

resisten8 alla fa8ca

SERCA e ricaptazione Ca2+ SERCA 2 a ricaptazione più lenta SERCA 1: maggiore aVvità (ricaptazione Ca2+ più rapida: rilasciamento veloce)

Troponina e Tropomiosina Troponina C con 1 sito di legame per Ca2+ a bassa affinità: sviluppo tensione a basse [Ca2+]

Troponina C con 2 si8 di legame per Ca2+ a bassa affinità: sviluppo tensione a [Ca2+] maggiori

Diametro Medio Grande Piccolo

Numero di fibre x unità Poche Molte

Forza dell’unità (data da ∅ e n°)  → bassa → elevata intermedia

Motoneuroni corpi piccoli, alta eccitabilità corpi e assoni grandi, conduzione rapida, bassa eccitabilità

dimensioni intermedie

EffeSo producono livelli di tensione piccoli per lunghi periodi

producono eleva8 livelli di forza  solo per brevi periodi

producono scosse rapide mantenendo resistenza alla fa8ca

LE UNITÀ MOTRICI VENGONO RECLUTATE SECONDO UN ORDINE PRESTABILITOLe unità motorie vengono reclutate dall’unità che sviluppa meno forza all’unità che sviluppa la forza massima; se serve una forza modesta, vengono reclutate solo le fibre a scossa lenta, se la forza necessaria è maggiore, a queste vengono successivamente aggiunte le fibre susceMbili alla fa8ca. Quando si riduce la forza, le fibre cessano di scaricare seguendo l’ordine opposto: le unità grandi e rapide cessano prima.Quindi: prima le fibre di 8po I, poi quelle di 8po IIA e infine IIB

LE RISPOSTE DEI MOTONEURONI AI SEGNALI AFFERENTI SINAPTICI DIPENDONO DALLE LORO PROPRIETÀ ELETTRICHEPer capire come si instaura questo ordine, bisogna considerare le caraAeris8che dei motoneuroni che fanno parte delle giunzioni muscolari: essi ricevono determinate afferenze, che possono o no raggiungere la soglia di origine del potenziale d’azione. Se viene raggiunta la soglia, par8rà il potenziale che, raggiungendo la placca neuromuscolare, determinerà la contrazione della fibra muscolare. La facilità di raggiungimento della soglia è influenzata dalle caraAeris8che dei neuroni, par8colarmente dalla loro resistenza: dalla legge di Ohm (E = I*R) sappiamo che maggiore è la resistenza, maggiore è la differenza di potenziale, in questo caso l’EPSP, e maggiore è l’EPSP, più facilmente questo supererà il valore soglia di potenziale. La resistenza del neurone è data dal numero di canali: minore il numero di canali, maggiore la resistenza; quindi, minori sono le 

4

dimensioni del neurone (specialmente del corpo), minore è il numero di canali e maggiore sarà la resistenza. È per questo che le fibre lente scaricano per prime, perchè i loro motoneuroni sono piccoli, quindi raggiungono più facilmente la soglia per la genesi di un potenziale d’azione (considera anche che maggiore è la resistenza, minore è la capacità, quindi è minore l’intesità di corrente necessaria per caricare il condensatore: C =  Q / V)Questo è il principio della dimensione, che svolge due importan8 funzioni:

• minimizza lo sviluppo della fa8ca, perchè sono maggiormente usate le fibre resisten8 alla fa8ca (mantenendo la maggior parte della forza totale del muscolo come riserva, soAo forma di fibre susceVbili alla fa8ca inu8lizzate)

• garan8sce che gli incremen8 di forza genera8 da unità motrici aVvate in successione siano approssima8vamente proporzionali al livello di forza al quale vengono reclutate le singole unità motrici; consente così un fine controllo motorio a bassi livelli di forza, difficilmente possibile se si aVvassero fibre la cui contrazione a scossa sarebbe più intensa

MODULAZIONE DELLA FORZA DI CONTRAZIONERECLUTAMENTOUn modo per incrementare la forza di contrazione è quello di reclutare un numero maggiore di unità motrici: quindi a livello del nucleo motore viene aVvato un maggior numero di motoneuroni. La forza complessiva della contrazione dipende sia dal numero di motoneuroni aMva8, sia dalle loro dimensioni, che come abbiamo visto hanno un ruolo importante nel determinare quali motoneuroni vengono di volta in volta recluta8.Questo processo risulta infine come una sommazione spaziale, perchè è una sommazione di forze derivate da fibre muscolari distribuite in una vasta area del muscolo

TETANOPer di più, la scarica dei motoneuroni è asincrona, quindi le contrazioni non fuse prodoAe da tuV i motoneuroni aVva8, come abbiamo visto precedentemente, finiscono per fondersi insieme, producendo una contrazione priva di oscillazioni, secondo una sommazione temporale. In questo caso, quindi, la forza contraVle è aumentata incrementando la frequenza dei potenziali d’azione

In relazione a quanto deAo precedentemente riguardo la forza di contrazione, ovvero che dipende dal numero di pon8 trasversali e dalla forza di ciascun ponte (dipendente dalla lunghezza e dalla velocità di accorciamento del sarcomero), alla luce di queste ul8me informazioni possiamo riassumere dicendo che in vivo dipende dal numero (e dalla frequenza) di motoneuroni aMva8 (numero → n° di unità; frequenze → [Ca2+] in ogni fibra → n° di pon8 per fibra: vedi il tetano) e dalle loro dimensioni (→ velocità dei sarcomeri → 8pi di fibre: motoneuroni piccoli → poche fibre lente; grandi → molte fibre veloci)

Le fibre lente vengono tetanizzate a frequenze più basse (la contrazione ha una durata maggiore), ma la tensione massima generata da un tetano di fibre rapide (che necessita di frequenza maggiori) è molto superiore (le fibre rapide presentano un diametro e un numero di fibre per unità maggiore)

CONSIDERAZIONI MECCANICHE SULL’AZIONE DEI MUSCOLI A LIVELLO DELLE ARTICOLAZIONILe ar8colazioni possono possedere da 1 a 6 gradi di libertà (ovvero il numero di assi rispeAo ai quali possono essere esegui8 movimen8); per ogni asse, poichè i muscoli generano trazioni ma non sono in grado di esercitare spinte, perchè avvengano movimen8 in 2 direzioni è necessaria la presenza di almeno 2 muscoli che siano tra loro antagonis8. Ogni muscolo esercita sull’ar8colazione una forza che fa ruotare l’ar8colazione, descrivibile come un momento; il momento che ogni muscolo esercita su un’ar8colazione è calcolabile aAraverso il prodoSo tra la forza esercitata dal muscolo e il braccio del momento, ovvero una distanza corrispondente alla linea perpendicolare alla linea di trazione del muscolo, che cade sul centro di rotazione dell’ar8colazione. Il momento neAo di un’ar8colazione è dato dalla differenza dei momen8 esercita8 dai muscoli antagonis8.L’aMvazione degli antagonis8 non serve solo per garan8re il movimento nella direzione opposta, ma anche per regolare la rapidità di aMvazione di un muscolo modulando la forza dell’antagonista (i muscoli rispondono lentamente allo s8molo: la velocità di risposta è aumentata se la frequenza di s8molo è maggiore; ma ciò induce anche una contrazione più forte, che potrebbe risultare eccessiva. S8molando anche l’antagonista, la forza neAa diminuisce, garantendo così una risposta rapida con la giusta forza), e per garan8re una fine modulazione delle accelerazioni e decelerazioni che servono per vincere l’inerzia che si manifesta all’inizio e alla fine del movimento.Un caso importante in cui risulta u8le la contemporanea contrazione (co‐contrazione) di muscoli tra loro antagonis8 è quando ci si trova in soggeV a perturbazioni esterne: le ar8colazioni sono in questo caso mosse da forze esterne, e ques8 movimen8 vanno comunque a modificare lo stato di lunghezza dei muscoli. Se i muscoli, antagonis8 tra loro a livello dell’ar8colazione, sono sta8 preven8vamente contraV, l’ar8colazione viene irrigidita. Qualsiasi movimento imposto da forze esterne porta quindi all’accorciamento di un muscolo, che produrrà meno forza, e all’allungamento dell’antagonista, che produrrà una forza maggiore, secondo quanto espresso dalla relazione forza‐velocità: il vantaggio di queste forze è che permeAono un riequilibrio istantaneo intorno all’ar8colazione senza latenza dovuta all’invio e alla ricezione di segnali.I muscoli generalmente agiscono a livello di più ar8colazioni, e in questo caso la capacità di generare forza a livello di un’ar8colazione dipende dal movimento delle altre ar8colazioni a livello delle quali agisce: se i movimen8 di un’ar8colazione permeAono il movimento a livello dell’altra, il muscolo è in grado di produrre lavoro (la forza determina uno spostamento). Se viceversa il movimento di un’ar8colazione controbilancia il movimento dell’altra, in questo caso, non essendoci variazioni nella lunghezza del muscolo, questo non compie lavoro, ma la forza esercitata lo fa agire come un’asta rigida, con la proprietà di trasferire un momento meccanico da un segmento corporeo ad un altro. In questo modo, un muscolo in condizioni isometriche può influire sul movimento di altre ar8colazioni (ad esempio, la sua contrazione isometrica blocca un’ar8colazione, influenzando così l’azione di un altro muscolo connesso a quell’ar8colazione).I muscoli potrebbero sembrare trasduAori imperfeV (vedi le loro lente risposte alla variazione di frequenza dei PDA, la variazione non lineare della forza generata rispeAo alla lunghezza, velocità e stato di aVvazione), ma in toto garan8scono un sistema solido capace di fornire buone prestazioni anche in presenza di numerose perturbazioni, sia interne che esterne.

5

CONSIDERAZIONI METABOLICHE E SULLO SVILUPPOI muscoli corporei, anche se rilascia8, presentano comunque un certo tono, dovuto a bassi livelli di aVvità contraVle necessari per mantenere la giusta postura del corpo. La spesa energe8ca per mantenere il tono è molto bassa.L’energia per la contrazione deriva direAamente dall’ATP, che deve essere con8nuamente rifornito. Le principali fon8 di energia sono infaV molecole che garan8scono un mantenimento di buoni livelli di ATP. Ecco le fon8 principali:

• fosfocrea8na: la fosfocrea8na è un donatore di Pi all’ADP atrtaverso l’azione della crea8na fosfochinasi (CPK), i cui nprodoV sono ATP e crea8na. Questo sistema di rimpiazzo dell’ATP è u8lizzato durante l’aVvità molto intensa, ma non può fornire energia per periodi prolunga8

• carboidra8: il glicogeno (grandi riserve nelle cellule) e il glucosio (assunzione insulino‐dipendente) vengono u8lizza8 per i processi anaerobici (glicolisi ‐ citoplasma8ca) e aerobici (fosforilazione ossida8va ‐ mitocondriale) di produzione dell’ATP. L’aVvazione dei soli processi anaerobici può dipendere dalla mancanza di ossigeno (debito di ossigeno: alla fine dell’esercizio, la respirazione permane al di sopra dei livelli di riposo, per permeAere di rimpiazzare i livelli di fosfocrea8na e ATP e per metabolizzare il laAato; l’ossigeno acquisito deve essere maggiore dell’ossigeno speso, per via dell’aumentato lavoro cardiaco e respiratorio)

• acidi grassi e trigliceridi: assun8 dal sangue, vanno incontro a β‐ossidazione mitocondriale dopo il ciclo della carni8na per entrare nel mitocondrio (acil‐Coa cit. → acil‐carni8na → acil‐Coa mit.): la produzione di ace8l‐CoA permeAe la produzione di ATP aAraverso il ciclo dell’acido citrico

La fa8ca non è dovuta all’esaurimento di ATP, bensì rappresenta un meccanismo di difesa per  minimizzare la morte cellulare dovuta a mancanza di ATP. I meccanismi responsabili della fa8ca potrebbero allora essere lega8 all’accumulo di prodoM del metabolismo (laAato, Pi e ADP), che modificano direAamente o indireAamente (es.: aumentando il pH) le interazioni tra Ca2+ e troponina o tra ac8na e miosina

Riguardo i diversi 8pi di fibre descriV, è stato visto che, durante lo sviluppo, è il 8po di motoneuroni che determina il 8po di fibra muscolare.I muscoli, a  sviluppo ul8mato, presentano una limitata capacità di formare nuove fibre (iperplasia). I muscoli sono però in grado crescere sia aAraverso l’aumento di diametro della fibra (più sarcomeri in parallelo, ipertrofia, varia la forza della fibra ma non varia la velocità), sia aAraverso allungamento (i sarcomeri vengono aggiun8 in serie alle estremità della fibra: la forza della fibra è invariata, variano invece, raddoppiandosi, la velocità e la capacità di accorciamento).Dopo denervazione i muscoli vanno lentamente incontro ad atrofia (passando per la fascicolazione e la fibrillazione, dovuta ad ipersensibilità all’ACh, in quanto i receAori si sono sposta8 dalle placche a tuAa la superficie della fibra), che può regredire in caso di reinnervazione, per ricrescita degli assoni (infaV i nervi esercitano effeV trofici sulle fibre).Esperimen8 hanno anche dimostrato che le fibre a scossa lenta e rapida possono conver8rsi in seguito a determinate s8molazioni eleSriche (da notare che queste conversioni non avvengono con l’allenamento): la s8molazione cronica determina la conversione delle fibre rapide in fibre lente, probabilmente per via dell’aumentata concentrazione di Ca2+ intracellulare. InfaV le fibre lente sono quelle che rispondono prima, quindi in seguito a s8moli cronici, le aumentate risposte di queste fibre determinano la comparsa di mitocondri e dell’altra isoforma della miosina.I movimen8 muscolari, dopo essere sta8 appresi, possono essere allena8, aAraverso due 8pi di esercizi: gli esercizi di potenza provocano ipertrofia cellulare (aumentano la forza aAraverso la sintesi di nuove miofibrille ‐ non fibre!!) e conseguente crescita di tendini e ossa, gli esercizi di resistenza invece aumentano le capacità ossida8ve di tuAe le unità motrici interessate.

6

13 ‐ Fisiologia del muscolo liscioIl muscolo liscio è un muscolo privo di striature, involontario, presente nella parete degli organi cavi, specialmente delle vie aeree, del sistema vascolare, del canale alimentare e del traAo urogenitale. La sua contrazione serve per promuovere la mo8lità o modificare la forma dell’organo (sviluppando forza o accorciandosi, come lo scheletrico), oppure per generare contrazioni toniche prolungate in modo economico tali da mantenere le dimensioni dell’organo contro carichi imposto.

TIPI DI MUSCOLO LISCIONe esistono principalmente due 8pi, quello unitario e quello mul8unitario.

• nel muscolo liscio unitario, le cellule sono eleTricamente accoppiate: la s8molazione eleArica di una cellula è seguita dalla s8molazione delle cellule con8gue; questo meccanismo genera un’onda di contrazione, o peristalsi. La s8molazione può essere generata da cellule pacemaker, ovvero in grado di depolarizzarsi spontaneamente

• nel muscolo liscio mul8unitario, le cellule non sono eleAricamente accoppiate; esempi sono i muscoli dei vasi deferen8 dell’apparato genitale maschile e l’iride dell’occhio

Esiste anche una classificazione sulla base dell’aMvità:

• le cellule muscolari lisce di 8po fasico sono cellule che hanno la caraAeris8ca di contrarsi ritmicamente o intermiTentemente; esempi si trovano nel sistema gastrointes8nale e urogenitale. Corrispondono al 8po unitario, perchè il loro accoppiamento eleArico permeAe la propagazione tra le cellule dei potenziali d’azione 

• le cellule muscolari lisce di 8po tonico sono cellule con8nuamente aMve. Si trovano nella parete dei vasi e delle vie aeree e negli sfinteri. Sono cellule che risultano sempre parzialmente aMvate, ma questa aVvazione non è dipendente dai potenziali d’azione. Corrispondono al 8po mul8unitario per via del mancato accoppiamento eleArico tra cellule; presentano una variante cine8ca dei cicli dei pon8 trasversali, che gli permeAe di mantenere la forza spendendo meno energia

STRUTTURA DELLE CELLULE MUSCOLARI LISCELe cellule muscolari formano strato aAorno agli organi cavi; la disposizione varia in base alle funzioni che svolge nella parete:

• presentano struAura tubulare nei vasi sanguigni e nelle vie aeree, con disposizione circolare: la contrazione riduce il diametro, con incremento della resistenza al flusso, ma senza influenzare la lunghezza dell’organo

• struAure più complesse sono presen8 nel traAo gastrointes8nale; la duplice disposizione circolare e longitudinale rifleAe le funzioni di mescolamento e progressione; la coordinazione di questo complesso muscolare è garan8ta dalla presenza di plessi nervosi comunican8 con il SNA, generalmente interpos8 tra i due stra8

• nelle struTure a sacco, come la vescica o il reAo, la funzione è quella di permeAere l’aumento passivo di volume e lo svuotamento aVvo: le fibre sono così disposte in maniera varia e complessa.

Il muscolo liscio è sempre separato dal lume dell’organo dagli altri stra8 della parete, specialmente endotelio e mucosa, nonchè dall’abbondante conneVvo, responsabile dell’aumento di tensione della parete quando il volume dell’organo aumenta

CONTATTI TRA CELLULA E CELLULAEsistono diversi contaV tra cellule, che possono funzionare come legami meccanici e come vie di comunicazione (chimica‐eleTrica). A differenza delle cellule muscolari scheletriche, le cellule muscolari lisce sono disposte in serie, quindi devono essere unite sia meccanicamente che funzionalmente: se non si aCvassero tuSe insieme e allo stesso livello, non avrebbero effeAo sulla regolazione della forma dell’organo (difaV il muscolo liscio tende, rispeAo allo scheletrico, a contrarre l’intera massa muscolare piuAosto che le singole unità motrici) .

• la via di comunicazione è garan8ta dalle gap junc8on, che permeAono il passaggio di sostanze chimiche e di onde di depolarizzazione

• il legame meccanico è garan8to da giunzioni aderen8, caraAerizzate dall’unione dei citoscheletri di cellule adiacen8; in par8colare, nelle giunzioni aderen8 si iden8ficano le aree dense, che sono analoghi dei corpi densi citoplasma8ci, sulle quali si vanno ad inserire i filamen8 soVli che partecipano al meccanismo di contrazione. Per questo la forza contraVle viene trasmessa da una cellula all’altra.

La superficie della membrana è caraAerizzata anche dalla presenza di caveole, invaginazioni della membrana analoghe ai tubuli T  delle cellule scheletriche (infaV non sono presen8 presen8 nelle cellule lisce); alcuni disposi8vi giunzionali sono presen8 anche tra le caveole (ed altri traV del sarcolemma) e regioni sub‐sarcolemmali del RS, e svolgono un ruolo importante nella regolazione intracellulare di Ca2+

CELLULE E MEMBRANEA differenza delle cellule scheletriche polinucleate, le cellule lisce sono mononucleate, in quanto non si fondono tra loro durante il periodo embrionale. Le cellule lisce sono più piccole di quelle scheletriche; sono soVli alle estremità e rigonfie al centro, in corrispondenza del nucleo. La loro forma allungata è mantenuta in condizioni di riposo: durante la contrazione, assumono forma globosa, per via della varia disposizione degli elemen8 contraVli.Le caveole incrementano il rapporto superficie‐volume: sono i si8 dove entra Ca2+ aAraverso i canali Ca2+ voltaggio‐dipenden8. InfaV il potenziale di membrana delle cellule muscolari lisce varia tra ‐60 e ‐40 mV, maggiormente depolarizzato rispeAo a quello delle cellule scheletriche (‐90 mV), e a ques8 valori di potenziale sono consen88 l’apertura e il passaggio di Ca2+ aAraverso i canali v‐d. Il sarcolemma ha quindi un ruolo aVvo nello scambio di Ca2+Oltre ai disposi8vi di entrata del Ca2+ extracellulare, le cellule lisce sono dotate della rete di RS che funge da riserva di Ca2+. A differenza del muscolo scheletrico, dove la liberazione di Ca2+ dal RS dipende dall’arrivo di un potenziale sui tubuli T, nel muscolo liscio l’apertura dei canali Ca2+ del RS dipende da numerosi faAori. InfaV sono presen8 diversi 8pi di canali Ca2+ del RS:

• il receTore della rianidina RYR è simile a quello scheletrico, ma invece di essere aVvato dall’interazione con il tubulo T, è aVvato da un aumento di Ca2+ intracellulare, è quindi un canale Ca2+ Ca2+‐dipendente

• esistono poi i canali del Ca2+ regola8 dall’inositolo 1,4,5‐trifosfato (IP3), che viene prodoAo in seguito ad interazioni tra ormoni (e altre sostanze come i neurotrasmeMtori) e i loro receAori sul sarcolemma

1

La riduzione del Ca2+ intracellulare è anche qui dipendente dal SERCA (Ca2+ ATPasi) del RS, ma anche dalla sua espulsione tramite un an8porto (3Na+/Ca2+) sul sarcolemmaSono inoltre presen8 mitocondri per garan8re il processo di fosforilazione ossida8va, necessario per la produzione di ATP

APPARATO CONTRATTILE E CITOSCHELETRONelle cellule muscolari lisce sono presen8 sia i filamen8 soVli che i filamen8 spessi, come nel muscolo striato, ma la loro disposizione non allineata non permeAe la visualizzazione delle miofibrille nè la 8pica striatura dei sarcomeri.I filamen8 soMli, rispeAo al muscolo striato, sono circa il doppio, non possiedono troponina e contengono invece caldesmone e calponina; i filamen8 soVli occupano gran parte dl mioplasma, e sono principalmente orienta8 secondo l’asse longitudinale; sono ancora8 non ai dischi Z, ma ai corpi densi mioplasma8ci e alle aree dense del sarcolemma, contenen8 α‐ac8nina; i corpi e le aree dense sono unite anche da filamen8 intermedi che completano il citoscheletro (polimeir di desmina e vimen8na)I filamen8 spessi sono invece presen8 con un contenuto pari a un quarto di quello del muscolo scheletrico; si aggregano in piccoli gruppi di 3‐5 miosine allineate si pongono in rapporto con i filamen8 soVli, in un disposi8vo analogo al sarcomero

CONTROLLO DELL’ATTIVITÀ DEL MUSCOLO LISCIOLa contrazione, come per il muscolo scheletrico, è Ca2+ dipendente; a differenza del muscolo scheletrico, però, i potenziali d’azione non sono sempre necessari per iniziare la contrazione. DifaV, l’aVvità contraVle è controllata da ormoni, nervi autonomi, aMvità pacemaker e molte sostanze chimiche, che agiscono incrementando la concentrazione intracellulare di Ca2+ senza modificare il potenziale di membrana.Ecco alcuni esempi di regolazione della contrazione:

• aCvità contraCle associata con la generazione di potenziali d’azione (→ responsabile della liberazione di Ca2+)

• contrazione dipendente da potenziali d’azione: come nel muscolo scheletrico, un potenziale determina una scossa lenta, potenziali ripetu8 permeAono invece la sommazione della risposta; questo meccanismo è 8pico dei muscoli lisci unitari dell’intes8no, ovviamente ricchi di gap junc8on

• contrazione dipendente dall’oscillazione del potenziale di membrana in seguito a variazioni dell’aVvità della Na+/K+ ATPasi eleArogenica del sarcolemma: queste lente oscillazioni, visto anche l’alto valore del potenziale di riposo, possono facilmente portare alla soglia di generazione di un PDA, responsabile direAo della contrazione. Questo meccanismo è 8pico di aMvità ritmiche

• aCvità contraCle non associata con la generazione di potenziali d’azione:

• contrazione dipendente dall’ingresso di Ca2+ aTraverso i canali Ca2+ v‐d del sarcolemma: l’apertura dei canali v‐d per il Ca2+ del sarcolemma può avvenire in seguito a piccole variazioni del potenziale di membrana a riposo; i valori ‐60 / ‐40 mV sono abbastanza al8 da permeAere l’apertura di ques8 canali. Piccole variazioni influiscono quindi sulla concentrazione intracellulare di Ca2+. Questo meccanismo è 8pico dei muscoli lisci mul8unitari che mantengono una tensione costante (es: il vascolare) ‐ aCvità contraCle tonica. Da notare che, essendo le cellule di questo 8po non accoppiate eleAricamente, le variazioni del potenziale di membrana non si propagano.

• contrazione dipendente dall’accoppiamento farmaco‐meccanico: la contrazione avviene in risposta al legame di un agente alla cellula, che provoca un aumento di IP3 (secondo messaggero), che è importante nella liberazione di Ca2+. In questo caso non si ha alcuna variazione di potenziale di membrana. Altre sostanze producono una diminuzione della tensione aumentando i livelli intracellulari di GMPc e AMPc 

NB: qualsiasi variazione di potenziale (quindi anche per la genesi di PDA) è determinata dall’aVvità di una sinapsi (quindi è necessario il legame di un NT al suo receAore), a meno che non dipenda dall’aVvità pacemaker di specifiche cellule

INNERVAZIONE DEL MUSCOLO LISCIOL’innervazione del muscolo liscio, a contrazione involontaria, origina dal sistema nervoso autonomo, con la sua componente simpa8ca e, a volte, anche parasimpa8ca (assente, ad esempio, nelle arterie). Possono anche essere presen8 nervi intrinseci contenu8 nei plessi (ad esempio, nel traAo gastrointes8nale) e neuroni afferen8 sensoriali che mediano alcuni riflessi.Le giunzioni neuromuscolari sono meno complesse della classica placca del muscolo scheletrico, con la differenza che possiedono diversi neurotrasmeMtori (Noradrenalina e adrenalina ‐ simpa8co ‐ ace8lcolina ‐ parasimpa8co ‐ angiotensina II, vasopressina, emdotelina, adenosina), il cui effeAo dipende dal 8po di receAore e dal secondo messaggero prodoAo dall’aVvità del receAore. Abbiamo precedentemente visto le modalità che determinano un aumento di Ca2+ nella cellula, e quindi la contrazione; ques8 meccanismi possono avvenire soltanto dopo che la cellula è stata aVvata. InfaV, sia la genesi di un PDA che l’apertura di canali regola8 da ligandi avvengono solo dopo l’aMvazione della cellula in risposta a un segnale. Questo segnale può essere di diversi 8pi:

• può derivare dall’aVvità intrinseca delle cellule pacemaker

• può derivare da trasmeVtori  libera8 dalle fibre nervose

• può derivare da ormoni circolan8 o da molecole segnale localiIn generale, i muscoli mul8unitari, le cui cellule non sono accoppiate eleAricamente, sono aVva8 da trasmissione nervosa, come i muscoli scheletrici, che permeAe la genesi di un PDA; i muscoli unitari invece, come i muscoli cardiaci, presentano accoppiamento eleTrico tra le cellule, potendo così essere aVva8 da terminazioni nervose meno numerose, oltre che da ormoni circolan8

REGOLAZIONE DELLA CONTRAZIONEAbbiamo deAo che la contrazione è Ca2+ dipendente: una differenza fondamentale rispeAo al muscolo scheletrico è però che il Ca2+ non agisce sull’ac8na (nel muscolo scheletrico la contrazione è regolata dall’ac8na), ma agisce sulla miosina, che regola quindi la contrazione. InfaV, un aumento di Ca2+ intracellulare aVva una chinasi Ca2+ calmodulina dipendente: il complesso 4 Ca2+ calmodulina aVva la miosina chinasi a catena leggera MLCK, che fosforila la catena leggera regolatoria della miosina. Questa fosforilazione è necessaria per l’avvio del ciclo dei pon8 trasversali, che, a parte questa importante differenza nel meccanismo di aVvazione, è simile a quello scheletrico: la miosina fosforilata con ADP e Pi sulla testa si può legare all’ac8na, il legame induce un cambio conformazionale responsabile del power stroke, la liberazione di ADP e Pi e il legame con un nuovo ATP permeAono il distacco della miosina e successive idrolisi dell’ATP e fosforilazione permeAono un nuovo ciclo. Quando viene meno la fosforilazione della miosina, il ciclo si interrompe. La fosforilazione viene meno quando diminuisce la concentrazione di Ca2+ intracellulare, quindi la 

2

MLCK si inaVva e il ponte viene defosforilato dalla miosina fosfatatsi. Un’altra differenza rispeAo al ciclo del muscolo scheletrico, è che la cine8ca del muscolo liscio è molto più lenta.Il meccanismo secondo il quale la miosina del muscolo liscio può interagire con l’ac8na solo se fosforilata sos8tuisce il meccanismo scheletrico per il quale il legame miosina ‐ ac8na dipende dallo stato della troponina: mancando del tuAo la troponina nel muscolo liscio, è necessario un meccanismo di regolazione differente.

CONTRAZIONE FASICA E CONTRAZIONE TONICADurante la contrazione fasica la concentrazione di Ca2+ raggiunge un picco e poi decade, mentre durante la contrazione tonica la concentrazione di Ca2+ raggiunge un picco e decade solo parzialmente. La fosforilazione dei pon8 segue esaAamente il movimento del Ca2+, mentre la forza, che decade presto nella contrazione fasica, nella contrazione tonica risulta aumentata durante il periodo di mantenimento della concentrazione di Ca2+ al di sopra del valore di base, per rimanere ad un livello elevato fino alla fine di questo periodo. Questo periodo, caraAeris8co della contrazione tonica, è deAo stato allacciato, ed è caraAerizzato da un’elevata forza prolungata mantenuta con il 20‐30% della concentrazione di Ca2+ rispeAo al picco e quindi con la stessa percentuale di pon8 fosforila8, garantendo così una bassa spesa di ATP. Probabilmente dipende dalla defosforilazione della catena miosinica dopo che è avvenuto il legame con l’ac8na; la defosforilazione avviene per la diminuzione della [Ca2+], ma dato che questa non è tornata a livelli di riposo, la defosforilazione non è completa. TuAavia, defosforilando un ponte trasversale aSaccato, la velocità di riciclaggio dei pon8 è diminuita (è invece molto alta quando tuAe le miosine sono fosforilate), quindi la miosina passa più tempo in una conformazione aAaccata capace di generare forza. Il rilascio del muscolo avviene quando la [Ca2+] cade soAo al livello richiesto per il legame con la calmodulina (0,1 μM), ovvero quando cessa la s8molazione, che nella contrazione tonica è molto lunga (dura quanto il periodo di mantenimento della [Ca2+])Lo stato allacciato è u8le per quei muscoli che devono contrastare forze esterne prolungate, come i muscoli dei vasi sanguigni

ENERGETICA E METABOLISMODurante lo stato allacciato i muscoli lisci possono sviluppare la stessa forza dei muscoli scheletrici, usando 300 volte meno ATP. L’ATP è rifornito dalla fosforilazione ossida8va.

REGOLAZIONE DELLA CONCENTRAZIONE MIOPLASMATICA DEL CA2+Il meccanismo dell’accoppiamento aMvazione ‐ contrazione (aCvazione comprende sia “eccitazione” che “farmaco‐meccanico”) coinvolge, nel muscolo liscio, due pool di Ca2+: uno extracellulare e uno nel RS. Mentre la contrazione del muscolo scheletrico non richiede il Ca2+ extracellulare, la contrazione del muscolo liscio sì. Quindi la concentrazione mioplasma8ca di Ca2+ dipende sia da aVvità e trasportatori localizza8 sul sarcolemma che sul Re8colo Sarcoplasma8co

IL RETICOLO SARCOPLASMATICOCome nel muscolo scheletrico, l’aVvazione della cellula apre i canali del Ca2+ del RS, di modo che aumen8 la concentrazione mioplasma8ca di Ca2+. A differenza del muscolo scheletrico, però, il rilascio di Ca2+ non dipende dalle variazioni del potenziale di membrana e dalle interazioni DHPR ‐ RYR, bensì dal legame di un secondo messaggero, IP3 ai suoi receTori sul RS. È quindi la produzione di IP3 che determina l’aVvazione della cellula: dei receTori del sarcolemma, dopo il legame al loro specifico agente s8molante, si aVvano, e aAraverso il loro accoppiamento con una proteina G (trasduAore), aVvano la fosfolipasi C (effeAore), che idrolizza il fosfa8dilinositolo PIP2 della membrana in IP3 e DAG. IP3 a questo punto raggiunge il RS e apre i canali del Ca2+. L’agente s8molante può essere un receAore od un ormoneOltre al rilascio, RS è deputato anche alla sua ricaptazione, che avviene tramite il SERCA; il RS del muscolo liscio è anche in grado di ricaptare il Ca2+ extracellulare, aAraverso canali nella sua regione sub‐sarcolemmale, nel così deAo RS giunzionaleTra le sostanze i cui receAori sono responsabili della produzione di IP3, si trovano la noradrenalina (→ simpa8co vascolare) con i suoi receAori α1, l’angiotensina II e la vasopressina, che a livello dei vasi determinano tuAe vasocostrizione. Inibitori di queste sostanze sono quindi vasodilatatori. Le sostanze responsabili della produzione di IP3 agiscono secondo accoppiamento farmaco‐meccanico, inducendo la contrazione senza far variare il potenziale di membranaAvevamo già osservato che sul RS, oltre ai canali aCva8 da IP3, sono presen8 anche canali Ca2+ ‐ dipenden8 del Ca2+ RYR, che si aVvano durante l’ingresso di Ca2+ nella cellula; ques8 canali possono aprirsi brevemente in modo spontaneo, determinando le così deAe scin8lle del Ca2+, ovvero aumen8 della [Ca2+] localizza8. L’apertura di ques8 canali, specialmente se localizza8 nel RS giunzionale, in seguito a s8molazione da parte di AMPc, può determinare iperpolarizzazione della cellula: il RS giunzionale confina pra8camente con l’esterno della cellula, quindi l’apertura di canali in questo punto determina una fuoriuscita di Ca2+ dalla cellula, che va così ad aVvare i canali Ca2+ ‐ dipenden8 del K+, che aprendosi permeAono l’ingresso di K+ che iperpolarizza la cellula.

SARCOLEMMAAbbiamo deAo come sul sarcolemma siano presen8 i receTori metabotropici che, in seguito a s8molazione, producono IP3 e altri secondi messaggeri, con funzione facilitatoria o inibitoria sull’apertura dei canali del RS. Oltre ai receAori, sono anche presen8 pompe e scambiatori per una fine regolazione delle concentrazioni delle specie ioniche, canali Ca2+ regola8 da ligandi, e sopraAuAo sono presen8 i canali Ca2+ voltaggio‐dipenden8, che permeAono (ad alcune cellule lisce) l’entrata di Ca2+ in risposta a variazioni di potenziale di membrana (come abbiamo visto, per l’apertura di ques8 canali non è necessario un PDA, bastano anche piccole variazioni del potenziale; la variazione di potenziale può essere stata generata nella cellula stessa, per azione di NT di giunzioni neuromuscolari, per l’azione di pompe eleArogeniche o per s8moli provenien8 da altre cellule con8gue, se è presente accoppiamento eleArico).Oltre ai meccanismi di entrata del Ca2+, anche sul sarcolemma si trovano meccanismi aV all’espulsione di Ca2+: la Ca2+ ATPasi che promuove l’an8porto 3 Na+ / Ca2+ è in compe8zione con il SERCA; un faSore di influsso del Ca2+ CIF, liberato dal RS vuoto, permeAe comunque che il RS si riempia, prelevando Ca2+ a livello del RS giunzionale dal liquido extracellulare.Nel paragrafo precedente abbiamo elencato le sostanze responsabili della produzione di IP3; esistono però anche diversi faTori inibitori che, riducendo la concentrazione di Ca2+ nella cellula, rilasciano il muscolo, come i farmaci bloccan8 i canali Ca2+ DHPR (8po L) o che aprono i canali K+. In generale, si può dire che IP3 sia deputato alla contrazione del muscolo (abbiamo visto la sua azione sui canali del RS), mentre AMPc e GMPc siano deputa8 al rilascio del muscolo (anche qui, abbiamo visto l’azione sui canali del RS giunzionale). Le sostanze i cui receAori producono l’una o le altre sostanze, presentano quindi, come effeAo indireAo, lo stesso effeAo della sostanza prodoAa. Ad esempio, NO incrementa la produzione di GMPc, e 

3

l’ACh delle fibre parasimpa8che determina la produzione di NO da parte delle cellule endoteliali vascolari: hanno entrambe effeAo vasodilatatore. L’AMPc, oltre all’effeAo visto sulle scin8lle del Ca2+ (iperpolarizzando la cellula), può determinare il rilascio del muscolo anche aAraverso fosforilazioni AMPc‐dipenden8 della MLCK: questa, non potendo più fosforilare la catena leggera regolatoria della miosina, blocca il ciclo deipon8 trasversali. Si ri8ene anche che l’incremento di AMPc determini un aumento di adenosina, che apre un canale K+ del sarcolemma, provocando iperpolarizzazione. Dato che AMPc è prodoAo dai receTori β‐adrenergici, l’u8lizzo di agonis8 verso ques8 receAori è u8lizzato per indurre dilatazione bronchiolare durante l’asmaSi può concludere osservando che la regolazione del tono muscolare liscio dipende da:

• innervazione autonoma

• ormoni circolan8

• dalle sostanze diffusibili liberate dalle vicine cellule endoteliali e scheletriche (NO e adenosina)

• da giunzioni con altre cellule muscolari lisce

SVILUPPO E IPERTROFIAOltre alla crescita per proliferazione, le cellule muscolari lisce possono andare incontro a ipertrofia compensatoria in risposta all’incremento del carico: in questo caso avviene una duplicazione dei cromosomi non seguita da divisione cellulare, il che comporta un aumento nella sintesi di proteine contraVli nella cellulaAlcuni muscoli lisci sono soAo il controllo ormonale, come il miometrio, che è in quiete durante la gravidanza per via dei livelli di progesterone, va invece incontro a marcata ipertrofia nei periodi terminali della gravidanza, in seguito all’aumento di estrogeni

FUNZIONI DI SINTESI E SECREZIONELo sviluppo e la crescita dei tessu8 che contengono muscolo liscio sono associa8 ad incremen8 della matrice di tessuto conneVvo. Le cellule muscolari lisce possono sinte8zzare e secernere i materiali necessari a  questa matrice, come il collagene, l’elas8na e i proteoglicani

PROPRIETÀ BIOFISICHE DEL MUSCOLO LISCIORELAZIONI LUNGHEZZA‐TENSIONELa notevole quan8tà di tessuto conneMvo, composto da fibrille estensibili di elas8na e fibrille inestensibili di collagene, si oppone alle forze distenden8 elevate aAraverso generazione di tensione passiva. La forza aVva della s8molazione dipende dalla lunghezza del tessuto, con una curva simile a quella del muscolo scheletrico, ma quan8ta8vamente diversa. Pur con lo stesso meccanismo delle cellule striate, le cellule lisce spesso si accorciano di più. I muscoli lisci sono aVva8 solo parzialmente, ma possono generare tensioni aVve paragonabili a quelle del muscolo scheletrico anche possedendo solo un quarto della miosina: questo perchè la lo lenta cine8ca permeAe il mantenimento per un tempo più lungo dei pon8 trasversali aVvi, che nella loro configurazione aAaccata generano forza per più tempo

RELAZIONI VELOCITÀ‐CARICOAnche la curva velocità‐carico del muscolo liscio riprende quella dello striato, ma presenta velocità di contrazione e consumo di ATP molto più bassi, in virtù della presenza di miosina caraAerizzata da bassa aMvità ATPasica.Nelle cellule scheletriche, la curva velocità‐carico dipende solo dal carico e dall’isoforma della miosina; per il muscolo liscio, invece, è possibile derivare una famiglia di curve (la relazione è variabile), in quanto la curva è alterata, per esempio, alterando la frequenza di s8molazione o la concentrazione degli ormoni. DifaV ques8 faAori, indireAamente, vanno a regolare il numero dei pon8 trasversali aMva8 e la loro velocità di ciclo di aMvazione. Abbiamo deAo che il numero di pon8 e la velocità dei pon8 (→ rallentamento nello stato allacciato) dipendono dalla fosforilazione della miosina (della sua catena leggera regolatoria), che dipende dalla concentrazione di Ca2+, che dipende a sua volta dai faAori precedentemente elenca8. Quindi, nella relazione velocità‐carico, per ogni muscolo liscio si individua una famiglia di curve in cui la velocità massima di accorciamento varia in funzione del grado di fosforilazione della miosina (maggiore è la fosforilazione, minore il numero di sta8 allaccia8, maggiore la velocità a tuV i carichi; comunque, per percentuali di fosforilazione superiori al 30% ‐ che è il valore circa dello stato allacciato ‐ la tensione aumenta non più linearmente, ma molto lentamente, quasi a raggiungere un plateau)

4