Biologia molecolare del muscolo

Esistono tre tipi di muscolo:

1. STRIATi (muscoli scheletrici volontari) prendono attacco sulle ossa e agiscono seguendo la nostra volontà. Al microscopio presentano delle striature.
2. LISCI (muscoli involontari) si trovano in numerosi organi (intestino, stomaco, utero) e non possono essere comandati dalla nostra volontà.
3. CARDIACO è involontario anche se presenta delle striature, che sono però leggermente differenti da quelle dei muscoli striati.

La striatura dei muscoli striati è data dalla ordinata disposizione dei filamenti contrattili chiamati miofilamenti. Anche nei muscoli lisci sono presenti i miofilamenti, ma non hanno una disposizione ordinata che conferisce la striatura.

Cellula del muscolo striato

Le cellule muscolari hanno la forma di cilindri multinucleati che presentano un diametro compreso tra 10 e 100μm e la loro lunghezza va da diversi millimetri a alcuni centimetri. Sono quindi molto grandi e vengono chiamate fibre muscolari.

La fibra muscolare presenta molti nuclei tutti identici perché nel corso della differenziazione embrionale prende origine dalla fusione di diverse cellule in fila che perdono la loro membrana di divisione, formando così un "sacco" contenente diversi nuclei.

La cellula muscolare infatti è anche chiamata sincizio polinucleato. Le cellule iniziale da cui essa prende origine sono dette mioblasti.

Un muscolo è quindi costituito da un fascio di migliaia di fibre muscolari.

La membrana delle cellule muscolari è detta sarcolemma.

All'interno di ogni fibra muscolare vediamo il ripetersi di unità chiamate sarcomeri.

Ogni sarcomero è delimitato da due linee Z; subito a contatto della linea Z c'è una regione chiara chiamata banda I (isotropa) e al centro del sarcomero c'è una regione scura detta banda A (anisotropa). Al centro della banda A c'è una regione a densità minore chiamata H (Hensen).

La base di queste striature risiede nelle numerose miofibrille che decorrono longitudinalmente nella fibra muscolare. Le miofibrille sono immerse nel citoplasma che qui prende il nome di sarcoplasma.

C'è inoltre un sistema di membrane interne paragonabili al reticolo endoplasmatico liscio che qui prende il nome di reticolo sarcoplasmatico.

I numerosi nuclei sono collocati a ridosso della membrana plasmatica che prende il nome di sarcolemma.

Apparato del Golgi, ribosomi, reticolo endoplasmatico ruvido sono scarsi e addossati ai nuclei. Numerosi sono invece i mitocondri all'interno dei quali viene prodotto ATP per il lavoro muscolare.

Particelle di glicogeno (polimero del glucosio) sono sparse     nel citoplasma e costituiscono la riserva di carboidrato per la glicolisi e la respirazione cellulare.

All'interno di ogni miofibrilla ci sono numerosi miofilamenti spessi e sottili.

Quelli spessi sono lunghi 1,6μm e spessi 10nm e danno origine alla banda scura A

Quelli sottili sono lunghi circa 1μm e spessi 5nm e prendono origine dalla linea Z. Costituiscono la banda I ed entrano nella banda A nella quale si intercalano ai filamenti spessi arrivando fino alla zona H presso la quale si interrompono. La zona H è fatta solo di filamenti spessi.

Se avessimo una visione tridimensionale potremmo vedere che ogni filamento spesso è circondato da sei sottili, mentre ogni filamento sottile è circondato da tre spessi.

STRUTTURA DEL FILAMENTO SPESSO

I filamenti spessi sono costituiti dalla proteina miosina di peso molecolare circa 500.000 formata da sei catene polipeptidiche : due grandi e quattro piccole.

I due polipeptidi grandi hanno peso molecolare 200.000 e contengono circa 1.800 amminoacidi ciascuno. Buona parte della catena è avvolta ad α-elica, la restante parte è ripiegata in una configurazione globulare.

Le torsioni ad α-elica dei due polipeptidi sono avvolte l'una all'altra e formano la coda, le porzioni globulari formano la testa. I quattro polipeptidi piccoli sono legati alle due zone globulari.

Per fare un filamento spesso occorrono circa 500 molecole di miosina. Tutte le code sono disposte parallelamente ma le molecole sono sfalsate e risulta un filamento molto lungo con la parte centrale occupata solo dalle code e le due estremità dalle teste.

Le teste sono disposte elicoidailmente e si proiettano verso i sei filamenti sottili circostanti. La molecola di miosina inoltre possiede un sito enzimatico attivo che idrolizza L'ATP procurandosi in questo modo l'energia necessaria per alimentare la contrazione.

C'è anche una proteina che tiene insieme il fascio: la proteina C. un'altra proteina (M) è legata in corrispondenza della linea M.

STRUTTURA DEL FILAMENTO SOTTILE

È costituito da due catene di actina F (ognuna delle quali formata da monomeri di actina G) avvolte l'una sull'altra elicoidailmente. La doppia elica ha un diametro di 9,5nm.

Oltre all'actina sono presenti anche altre due proteine: la tropomiosina e la troponina.

Ogni molecola di tropomiosina è costituita da due catene polipeptidiche ad α-elica di 40nm e percorre 7 molecole di actina G, cioè è disposta nel solco della doppia elica di actina per una lunghezza corrispondente a 7 monomeri di actina G.

La troponina è composta da 3 subunità, ogni troponina si lega ad una tropomiosina quindi abbiamo una troponina ogni 40nm.

Le tre subunità si chiamano troponina C (lega lo ione calcio), troponina T (ha un'elevata affinità per la tropomiosina) e troponina I (inibisce l'ATPasi della miosina).

I filamenti sottili sono ancorati ad una estremità per mezzo di un forte legame con la linea Z.

La linea Z è costituita da una proteina detta α-actinina che forma una piastra in cui vanno a terminare le catene di actina F.

L'actinina stabilisce la connessione tra i filamenti sottili di un sarcomero e quelli del successivo perciò svolge una funzione meccanica essenziale per la formazione della miofibrilla.

Il meccanismo della contrazione

Le cellule muscolari si contraggono per una interazione dei filamenti sottili con quelli spessi, nella quale i filamenti sottili vengono tirati verso l'interno della banda A (per questa interazione sono indispensabili gli ioni Ca⁺⁺).

Infatti in assenza di Ca⁺⁺ la tropomiosina, disposta lungo i solchi della doppia elica di actina F, blocca l'interazione dell'actina con le teste di miosina, quindi blocca la contrazione.

Quando lo ione Ca⁺⁺ viene aggiunto al sistema si lega alla troponina C inducendo un cambiamento di conformazione. Questo fa sprofondare la tropomiosina dentro i solchi dell'actina e liberando i siti di legame ACTINA-TESTE DI MIOSINA

Al microscopio elettronico questa interazione tra teste di miosina e actina si manifesta come formazione di ponti trasversali tra i filamenti sottili e quelli spessi. I ponti corrispondono alle teste di miosina e legano l'actina solo quando il muscolo si contrae. Al rilassamento i ponti sono assenti.

La serie di eventi può essere schematizzata così:

1. nel muscolo rilassato l'ATP va ad occupare i siti della miosina dove si trova un ATPasi che lo idrolizza in ADP e fosfato
2. le teste di miosina legate all'ADP e fosfato sono ora predisposte per interagire con l'actina (cioè sono state attivate)
3. la presenza di ioni Ca⁺⁺ fa spostare la tropomiosina, così le teste di miosina possono legarsi all'actina
4. la miosina legandosi all'actina libera ADP e fosfato e torna allo stato inattivato
5. questa conversione provoca un cambiamento di configurazione molecolare che tira i filamenti sottili verso l'interno della banda A
6. ora la miosina può legare di nuovo ATP lasciando andare l'actina e innescando di nuovo la serie di processi descritti prima.

Questa serie di eventi è innescata dall'arrivo dell'impulso nervoso alla giunzione neuro-muscolare (zona di contatto tra la cellula nervosa e quella muscolare).

Dalla giunzione l'impulso si propaga all'intero sarcolemma incluse le sue invaginazioni tubolari chiamate sistema a T (così l'impulso è trasmesso a regioni più interne del sarcoplasma).

Dentro il sarcoplasma c'è il reticolo sarcoplasmatico che consiste di sacche membranose. All'estremità del sarcomero (cioè in vicinanza delle linee Z) il reticolo è più espanso e forma le cosiddette cisterne terminali.

Le cisterne terminali e il sistema a T sono affiancati come tre vescicole in fila (parallele l'una all'altra) e a questa configurazione è stato dato il nome di triade.

Dentro il reticolo sarcoplasmatico sono immagazzinati ioni calcio. L'arrivo degli impulsi al sistema a T fa si che questo si propaghi anche alle membrane del reticolo sarcoplasmatico facendo aumentare la permeabilità agli ioni Ca⁺⁺. Così gli ioni calcio escono dal reticolo e si liberano nel sarcoplasma dove vanno a contatto con i miofilamenti innescando la contrazione.

Quando l'impulso nervoso cessa le membrane del reticolo tornano impermeabili al calcio il quale viene riassunto dentro le cisterne grazie ad un meccanismo di trasporto attivo alimentato dall'ATP.