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Franca Esposito » 32.Metabolismo del tessuto muscolare scheletrico

Tessuto Muscolare

Costituito da MIOCITI o fibre muscolari: cellule polinucleate di forma allungata con citoplasma ricco di miofibrille che contengono proteine a funzione contrattile.

Numerosi miociti si associano in fasci paralleli. Il muscolo origina da un gran numero di fasci paralleli cementati da tessuto connettivo interstiziale.

Tessuto con contenuto di acqua pari a circa il 70% in peso, importanti gli ioni calcio e magnesio per la contrazione.

Funzione: conversione dell’energia chimica in energia meccanica.

Tre tipi distinti di tessuto muscolare: scheletrico, cardiaco e liscio.

Tessuto muscolare cardiaco e liscio controllati dal sistema nervoso vegetativo.

La lezione è della Prof. Raffaella Faraonio

Tessuto Muscolare Scheletrico

I miociti contengono:

due popolazioni di mitocondri: sub-subsarcolemmatici → energia attività membrana, intermiofibrillari → energia contrazione;
sistemi di membrane specializzate:
- sistema tubulare trasverso con: a) pompe e canali ionici che regolano i cambiamenti dei potenziali di membrana, b) recettori sensibili agli stimoli neuro-ormonali
- reticolo sarcoplasmatico: sistema continuo di canalicoli che confluisce nella cisterna terminale → regola i flussi di Ca²⁺ intracellulari
- elementi contrattili: miofibrille formate da miofilamenti spessi e miofilamenti sottili che si intercalano ordinatamente: tipico aspetto striato

Tessuto muscolare scheletrico. Tratto da: DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.

Elementi contrattili

Banda A: formata nella parte centrale dai miofilamenti spessi Nei tratti esterni scuri si sovrappongono filamenti spessi con filamenti sottili
Banda H: costituisce la parte centrale della Banda A
Banda I: costituisce la parte non sovrapposta dei filamenti sottili
Linea M: formata da particolari proteine che tengono in registro i filamenti spessi
Linea Z: dovuta all’ancoraggio dei filamenti sottili e divide a metà la banda I

Il sarcomero è l’unità ripetitiva tra due linee Z contigue e costituisce l’unità funzionale contrattile.

Striatura trasversale del muscolo. Immagine autoprodotta.

Proteine della miofibrilla

La parte proteica della miofibrilla comprende:

proteine a funzione contrattile (actina e miosina, costituiscono il 70% delle proteine totali)
proteine con funzione regolatoria (tropomiosina e troponina)
proteine strutturali (actnine, desmina, nebulina, etc.)
proteine enzimatiche che sostengono il metabolismo muscolare (mioglobina, catalasi, citicromi, perossidasi, enzimi glicolitici, enzimi del ciclo degli acidi tricarbossilici)

Miosina

Principale proteina dei miofilamenti spessi ≈ 65% del totale. Interagisce reversibilmente con l’actina. PM 540.000, contiene 6 catene polipeptidiche:

2 catene pesanti PM 220.000
4 catene leggere PM 20.000-27.000, a seconda del tipo di muscolo

Esistono numerose isoforme di miosina, almeno 15 classi, nel sarcomero: classe II.

Catene pesanti: struttura ad α-elica che nella regione C-terminale formano un coiled coil (coda) che si prolunga in una regione terminale bilobata (testa) a conformazione globulare.

A ciascun lobo si associano 2 catene leggere.

Trattamento con tripsina e chimotripsina: 2 frammenti

meromiosina pesante
meromiosina leggera

Meromiosina pesante + papaina: 2 frammenti globulari S1 e 1 frammento S2, a bastoncino.

Struttura della molecola di miosina. Tratto da: “Biochimica Medica” di Siliprandi & Tettamanti ed. Piccin.

Miosina: struttura frammento S1

Frammento S1: 2 domini con ruolo funzionale nella contrazione.

Collo in continuità con la coda, contiene un dominio di 20 kD di catena pesante associato a 2 catene leggere con funzione regolatoria e stabilizzatrice.

Dominio motore di 70 kD con 3 sottodomini:

sito di attività ATPasica, lega l’ATP e i suoi prodotti di idrolisi (ADP e Pi). Contiene 4 siti di regolazione tra cui switch I e II formano un ponte salino → stato di chiusura: ATP saldamente legato
4 siti di interazione con l’actina, di cui 2 più deboli, altri 2 più forti
sito convertitore che a seguito dell’idrolisi dell’ATP imprime al collo un movimento rotatorio che trascina l’actina ancorata

Rappresentazione schematica del frammento S1. Immagine autoprodotta.

Actina

Actina: componente maggiore del filamento sottile.

Se isolata dal muscolo è in forma monomerica globulare e contiene legata una molecola di ATP.

Actina G (globulare): molecola con PM 42.000, 376 aa, contiene epsilon N-metilistidina.

Nel muscolo i monomeri di actina G si uniscono per formare Actina F (fibrosa)
Due catene di actina F si avvolgono in forma elicoidale

Nel solco elicoidale dell’actina F si dispone la tropomiosina che insieme alla troponina svolge funzioni regolatrici nella contrazione.

Funzioni:

interazione con teste miosina
stimolazione dell’attività ATPasica della miosina

Actina G

Dominio 1 (estremità N- e C-terminale) coinvolto nelle interazioni con la testa della miosina.

Domini 3 e 4 coinvolti nelle interazioni con altri monomeri di actina G.

All’interno della struttura è presente una tasca dove si lega l’ATP e uno ione bivalente.

L’attività ATPasica è necessaria per assemblare i monomeri di actina G.

Conversione dell’actina G in actina (polimerizzazione):

n(actina G) + nATP + nCa²⁺ → n(actina-G-ATP-Ca²⁺)

n(actina-G-ATP-Ca²⁺) → actina-F(ADP)_n +nCa²⁺ + nP_i

Struttura a nastro dell'actina G. Tratto da: “Biochimica Medica” di Siliprandi & Tettamanti ed. Piccin.

Tropomiosina

PM 67.000, proteina dimerica con catene α e β avvolte a spirale.

I filamenti di tropomiosina alloggiano lungo la scalanatura delle 2 catene di actina F, ogni molecola di tropomiosina contatta 7 monomeri di actina.

Svolge azione regolatrice sulla interazione actina-miosina nella contrazione.

Funzione: maschera o espone i siti di legame per la miosina sui filamenti di actina con meccanismo calcio-dipendente.

Filamento sottile: proteine regolatrici, tropomiosina e troponina. Tratto da: DL Nelson & MM Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.

Troponina

PM 76.000, contiene 3 subunità funzionalmente distinte: Troponina C (TnC), Troponina I (TnI), Troponina T (TnT).

Si trova legata alla tropomiosina ad intervalli periodici di circa 40 nm.

TnC: 4 siti di legame per il calcio, regola le interazioni delle altre due subunità con le proteine del filamento sottile

TnI: inibisce l’interazione actina-miosina bloccando così l’azione stimolatoria dell’actina sull’attività ATPasica della miosina; presenza di isoforme

TnT: interazione con tropomiosina, actina, TnI e TnC; presenza di isoforme

Funzione: inibire la contrazione muscolare quando i livelli di calcio intracellulare sono bassi e attivarla quando la concentrazione si innalza.

Troponina C

PM 18000, contiene 3 domini principali: 2 globulari terminali, 1 centrale ad α-elica.

Dominio C-terminale: 2 siti per il calcio ad alta affinità. Gli altri 2 siti (regione N-terminale) sono a bassa affinità e legano ioni Ca²⁺ solo dopo che questi hanno occupato i siti ad alta affinità.
Siti a bassa affinità: ‘starter‘ del processo di contrazione.

Meccanismo

Lo ione Ca²⁺ ad elevate concentrazioni occupa tutti i siti della TnC e ciò induce variazioni conformazionali nel complesso troponina che attraverso la TnT si trasmettono alla tropomiosina.

↓

La tropomiosina scivola lungo la scalanatura del filamento di actina rimuovendo l’effetto inibitorio della TnI sull’actina.

↓

L’actina libera può quindi interagire con la miosina stimolandone la funzione ATPasica.

Struttura della molecola Troponina C. Tratto da: “Biochimica Medica” di Siliprandi & Tettamanti ed. Piccin.

Proteine strutturali e regolatorie

Proteine strutturali a basse concentrazioni

α e β actinine, desmina, proteina C, eu-actinina, filamina, vimentina, sinemina, proteina Z, Z-nina → Interagiscono con l’actina in corrispondenza dei suoi contatti con la linea Z
proteina M, miomesina, proteina H → fanno parte della linea M e interagiscono con le estremità N-terminali della miosina
titina, nebulina → Connettono le linee Z con le estremità delle catene miosiniche impedendo che a seguito di una eccessiva distensione il sarcomero si sfibri
spectrina, vinculina, anchirina, talina → connettono sarcolemma e apparato contrattile a livello della linea Z; Complesso distrofina-glicoproteine di membrana → connette apparato contrattile e matrice extracellulare (vedi diapositiva successiva)

Proteine regolatorie associate alla miosina

creatina chinasi, proteina F, proteina C

Proteine regolatorie associate all’actina

γ-actinina (inibisce la polimerizzazione dell’actina), β-actinina (avvolge estremità libera filamenti di actina), proteina I e paratropomiosina (inibiscono interazioni actina-miosina.

Complesso distrofina-glicoproteina

Complesso proteico formato da numerose subunità.

La parte centrale attraversa il sarcolemma, le rimanenti porzioni svolgono comunicazioni tra l’apparato contrattile e la matrice extracellulare: la distrofina contatta l’actina F, la laminina le strutture extracellulari.

Funzioni:

stabilizza la membrana sarcoplasmatica durante i cicli di contrazione/decontrazione
mantiene ferma la topologia delle proteine di membrana durante l’attività contrattile
correla la forza contrattile generata dalla fibra con l’ambiente extracellulare

Mancanza di distrofina o distrofina anomala provoca Miodistrofia degenerativa di Duchenne.

Schema del complesso distrofina-glicoproteina di membrana. Tratto da: “Biochimica Medica” di Siliprandi & Tettamanti ed. Piccin.

Meccanismo contrazione: VOOC

Canali sarcolemmatici del calcio voltaggio-dipendenti (VOCC)

Inducono rilascio del Ca²⁺ nel citosol in risposta a depolarizzazioni della membrana.
VOCC del muscolo scheletrico: funzionano principalmente come strutture di trasmissione del segnale elettrico dal sarcolemma al reticolo sarcoplasmatico

Struttura

Proteina complessa con 5 diverse subunità (α1, α2, β, γ, δ)
Subunità α1: canale per il Ca²⁺che si apre solo in seguito a forte depolarizzazione → possiede 4 domini transmembrana, ognuno con 6 segmenti ad α-elica:
- segmenti 1, 2 e 3: funzione stabilizzatrice e regolatoria
- segmento 4: sensore del voltaggio
- segmenti 5 e 6: organizzano il poro attraverso cui passa il Ca²⁺

Meccanismo contrazione: VOOC (segue)

Meccanismo
In risposta alla depolarizzazione, il segmento 4 dei VOCC subisce una variazione conformazionale che è trasmessa attraverso interazione sterica diretta al complesso di rilascio del Ca²⁺ del reticolo sensibile alla rianodina “Ryanodine Receptor” (RyR1).

L’interazione tra le due strutture provoca apertura dei canali RyR1 ed emissione di Ca²⁺ nel citosol da parte del reticolo (e non dall’esterno).

Tale meccanismo è definito: rilascio del calcio indotto da depolarizzazione.

Meccanismo contrazione

Il rilascio di neurotrasmettitore in seguito all’impulso nervoso provoca depolarizzazione della membrana plasmatica.

L’onda di depolarizzazione attiva i canali VOCC che inducono apertura dei canali RyR1 del Ca²⁺ del reticolo sarcoplasmatico, la [Ca²⁺] nel citosol aumenta da 10^-7 M a 10^-5 M.

Il calcio satura le molecole proteiche di TnC che varia la propria conformazione.

Tale modifica conformazionale si trasmette agli altri componenti del complesso troponona e alla tropomiosina, si liberano i siti di attacco dell’actina per la miosina: avvio della fase di contrazione.

Ciclo contrattile: scorrimento del filamento sottile su quello spesso; eventi molecolari Ca²⁺-dipendenti, basati sulla riorganizzazione di interazioni tra proteine regolatrici, actina e miosina e stimolo dell’attività ATPasica della miosina.

Pompe specifiche ATP-dipendenti del reticolo ripompano il calcio nelle cisterne ad estinzione della contrazione.

Ciclo della contrazione

La miosina legata all’ATP è dissociata dall’actina
L’idrolisi dell’ATP libera energia che consente alla testa della miosina di ruotare (conformazione ad alta energia) e di “agganciare” l’actina (legame debole, angolo 90°C); i prodotti di idrolisi ADP e Pi restano ancorati alla miosina
Il rilascio di Pi induce nella miosina ulteriore modifica conformazionale. Ciò comporta un legame forte (angolo 45°C) tra miosina e actina che si sposta con forza (colpo di frusta) verso il centro del sarcomero causandone l’accorciamento
Quando una nuova molecola di ATP si lega alla miosina si ha rilascio di ADP e dissociazione dell’actina
Le teste della miosina ai due lati del sarcomero ruotano in senso opposto _”Row boat model” che ricorda il movimento dei remi che spingono una barca
Durante una contrazione rapida: ~5 cicli al secondo

Contrazione a livello di un singolo sarcomero. Tratto da: “Biochimica Medica” di Siliprandi & Tettamanti ed. Piccin.

Meccanismo contrazione

Tappe della reazione

Miosina-ATP + H₂0 → Miosina (energizzata)-ADP-P_i + H⁺
Miosina (energizzata)-ADP-P_i + Actina → Actomiosina-ADP-P_i
Actomiosina-ADP-P_i → Actomiosina-ADP + Pi
Actomiosina-ADP + ATP → Actina + Miosina-ATP + ADP

Nel meccanismo si postula l’esistenza di un complesso enzima-substrato, seguita da un intermedio energizzato di miosina.

L’energia di idrolisi dell’ATP, intrappolata sotto forma di miosina energizzata, viene utilizzata per la contrazione.

Il rilascio del Pi avviene prima dell’ADP che viene sostituito con una nuova molecola di ATP.

Meccanismo contrazione (segue)

Quando lo stimolo neuromotorio cessa:

gli ioni Ca²⁺ dal citoplasma vengono ripompati nelle vescicole del reticolo sarcoplasmatico attraverso pompe Ca²⁺-ATPasi (pompa del Ca²⁺)
si ha desaturazione della TnC
si ripristina l’azione inibitoria del sistema troponina- tropomiosina sull’interazione actina–miosina
le due proteine contrattili si separano. Tale reazione richiede ATP

La rigidità cadaverica è una conseguenza della mancanza di ATP: non si ha decontrazione perché miosina ed actina rimangono legate.

Rientro del calcio: pompa Ca²⁺-ATPasi

Pompa del Ca²⁺: PM 400.000

Trasporto del calcio citosolico alle cisterne del reticolo (contro gradiente) ad estinzione della contrazione
Pompa sostenuta dall’ATP → rientro di 2 ioni Ca²⁺ per 1 ATP idrolizzato

Modello - L’autofosforilazione in un residuo di acido aspartico:

disattiva i siti citosolici ad alta affinità
espone i siti a bassa affinità rivolti nel reticolo

Risultato: gli ioni Ca²⁺ attraversano il canale e vengono rilasciati nel reticolo

Nel muscolo scheletrico e cardiaco:

attività regolata dalle proteine fosfolambano e calsequestrina
il fosfolambano normalmente inibisce la pompa; l’aumento [Ca²⁺] induce fosforilazione (chinasi Ca²⁺-calmodulina dipendente o cAMP-dipendente) con rimozione dell’inibizione

Schema della struttura e del funzionamento della pompa del calcio del reticolo. Tratto da: “Biochimica Medica” di Siliprandi & Tettamanti ed. Piccin.

Energetica del tessuto muscolare

L’energia per la contrazione muscolare deriva dall’ATP:

ATP + H₂O → ADP + P_i

La richiesta di ATP aumenta molte volte nello stato di esercizio fisico.

ATP ripristinato a lungo termine attraverso:

via glicolitica, anche anaerobica
processo di fosforilazione ossidativa

Durante i primi secondi di esercizio però questi 2 processi non sono attivi. Intervengono altri meccanismi per rigenerare ATP.

Energetica del tessuto muscolare

Rigenerazione dell’ATP a breve termine: sistema “fosfocreatina-creatina”.

Fosfocreatina + ADP ↔ creatina + ATP

Reazione reversibile catalizzata dall’enzima creatina chinasi (CK).

Costante di equilibrio ≈ 1: sensibile a piccole variazioni di reagenti/prodotti (fosfocreatina 10-30 mM).

L’attività ATPasica della miosina produce ADP che attiva la CK.

La creatina è sintetizzata nel fegato e nel rene. Attraverso il circolo raggiunge il muscolo dove viene fosforilata.

Sistema creatina/fosfocreatina. Immagine autoprodotta.

Energetica tessuto muscolare

Esiste anche una reazione di emergenza catalizzata dalla adenilato chinasi (molto attiva nel muscolo scheletrico):

2 ADP ↔ ATP + AMP

AMP stimola allostericamente la fosfofruttochinasi e la glicogeno fosforilasi

Inoltre, l’aumento di AMP:
1) induce l’attività della adenosina deamminasi

AMP + H₂O → IMP + NH₃
IMP + Aspartato + GTP → AMP + Fumarato + GDP + P_i
L’NH₃ attiva la fosfofruttochinasi e quindi il flusso glicolitico, il fumarato entra nel ciclo di Krebs.

2) provoca vasodilatazione attraverso l’attività della 5′-nucleotidasi

AMP + H₂O → ADENOSINA + P_i

L’adenosina si lega ai recettori cellulari → aumento del flusso ematico con maggiore apporto di ossigeno e substrati ossidabili.

Metabolismo muscolare

Vie metaboliche utilizzate dal muscolo scheletrico:

glicolisi anche anaerobica
via ossidativa del ciclo di Krebs

Contributo relativo di ciascuna via variabile in relazione al tipo di esercizio e di muscolo. Es. muscolo con prevalenza di fibre rosse:

esercizio intenso-breve: ATP dalla glicolisi anaerobica sostenuta principalmente dal glicogeno muscolare
esercizio intenso-intermittente: ATP dalla via ossidativa sostenuta dal glicogeno epatico e acidi grassi
esercizio moderato-continuo: ATP dalla via ossidativa che utilizza poco glucosio, molti acidi grassi e in misura minore corpi chetonici e amminoacidi

Substrati muscolo scheletrico

Fosfocreatina nei primi 4 secondi.

Glicogeno muscolare.

Glicogenolisi stimolata, la GLICOGENO FOSFORILASI è attivata da:

aumento di Adrenalina in circolo (→ attivazione adenilato ciclasi → produzione cAMP → attivazione proteina chinasi → fosforilazione glicogeno fosforilasi)
aumento di AMP (→ attivazione allosterica glicogeno fosforilasi)
aumento di calcio (→attivazione fosforilasi chinasi Ca²⁺-dipendente → fosforilazione glicogeno fosforilasi)

Glucosio dal sangue, di origine epatica.

Acidi grassi.

Lipolisi stimolata dall’aumento di adrenalina/glucagone. Crescente utilizzo di O₂ nel muscolo → maggiore degradazione di acidi grassi.

Metaboliti durante esercizio fisico

Intermedi del metabolismo energetico nel muscolo durante un esercizio fisico (micromoli/gr tessuto).

L’aumento del lattato è dovuto alla glicolisi anaerobica con produzione massima prima che il muscolo assuma glucosio dal sangue.

Tipologia fibre muscolari scheletriche

Fibre I (rosse)

elevata quantità di mioglobina per il trasporto di O₂
elevato numero di mitocondri

Contrazione lenta → grande capacità ossidativa, richiesta di ATP continua

ATP dalla fosforilazione ossidativa legata all’ossidazione di piruvato, acidi grassi, corpi chetonici e amminoacidi
reazione LDH favorita: lattato → piruvato
NAD⁺/NADH: rapporto elevato, favorisce lattato → piruvato
livelli di fosfocreatina bassi

La glicolisi anaerobica opera in due particolari condizioni:

periodo iniziale dell’esercizio: aumento di irrorazione sanguigna/rifornimento di O₂ non adeguato alla richiesta;
richiesta di ATP superiore alla produzione aerobica.

Tipologia fibre muscolari scheletriche (segue)

Fibre II (bianche)- Fibre II A o II B:

mitocondri rari

Contrazione rapida e intensa → grande capacità glicolitica

ATP dal processo glicolitico (glicogeno → glucosio → acido lattico)
glucosio proveniente dal glicogeno muscolare (dal sangue ne arriva poco)
NAD⁺/NADH: rapporto basso, favorisce piruvato → lattato
acido lattico ossidato durante la fase di riposo: debito di ossigeno
livelli fosfocreatina abbondanti, garantiscono però numero limitato di contrazioni

Nei muscoli scheletrici → fibre di tutti i tipi ma in proporzioni diverse

fibre II prevalgono negli strati superficiali, Fibre I in strati profondi
fibre II prevalgono in soggetti che effettuano esercizio intenso-rapido (scattisti)
fibre I esercizio lento-prolungato (maratoneti)

Inoltre: l’allenamento anaerobico trasforma le fibre I in fibre II, allenamento aerobico induce la trasformazione opposta.

Esercizio anaerobico

Durante un esercizio intenso la produzione di ATP è sostenuta da:

fosfocreatina, nei primi secondi
glicolisi anaerobica, contributo maggiore. Stimolata notevolmente, utilizza glicogeno muscolare fino al 50% delle risorse → lattato
glucosio ematico, di origine epatica, contributo successivo a quello muscolare
acidi grassi, contributo minore

L’esercizio anaerobico crea:

debito di ossigeno = richiesta di O₂ superiore alla quantità utilizzata → serve per riossigenare emoglobina e mioglobina, ricostruire le scorte di fosfocreatina, sostenere la gluconeogenesi (lattato → glucosio)
affaticamento dovuto a deplezione di fosfocreatina, accumulo di lattato. Il lattato provoca diminuzionedi pH che:
- rallenta l’interazione actina-miosina diminuendo l’attività ATPasica della miosina;
- riduce l’attività fosfofruttochinasica e quindi flusso glicolitico.

Esercizio aerobico

Durante un esercizio prolungato di media intensità (es. maratoneta), la produzione di ATP è sostenuta da:

glicolisi aerobica, attinge glucosio dal sangue di origine epatica
ossidazione acidi grassi, lipolisi aumentata nel tessuto adiposo. Utilizzo muscolare di O₂ più consistente → incremento ossidazione ac. grassi
gluconeogenesi dal lattato attraverso: Ciclo di Cori → cooperazione metabolica tra fegato e muscolo