Muscoli, atrofia, sarcopenia - muscolo scheletrico
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Muscoli, atrofia, sarcopenia - muscolo scheletrico

Introduzione, la struttura del muscolo scheletrico, meccanismo molecolare della contrazione muscolare, actina e miosina

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Muscoli, atrofia, sarcopenia - muscolo scheletrico

Nella presente trattazione verrà analizzato il tema dell' Autofagia nel muscolo scheletrico in relazione all'esercizio fisico, ed in particolar modo, in relazione all'esercizio di Endurance che recentemente è stato dimostrato rappresenta uno stimolo che induce Autofagia nei tessuti, ma per il quale i meccanismi sottostanti e/o le componenti coinvolte non sono del tutto note. Nel primo capitolo sarà illustrata brevemente l'anatomia del muscolo scheletrico, e i meccanismi energetici e molecolari che sono alla base della sua capacità contrattile. Nello stesso capitolo, saranno trattati anche, in maniera sintetica, l'Atrofia, con il meccanismo ubiquitin-proteasoma, e la Sarcopenia.

Nel capitolo seguente, saranno analizzati l'apoptosi e l'autofagia, di cui saranno descritti singolarmente i relativi meccanismi fisiologici e il rispettivo ruolo nel muscolo scheletrico, con una valutazione delle relazioni che intercorrono tra questi due processi fisiologici e la loro specifica attivazione.

Infine, nel terzo capitolo, sarà posta l'attenzione su un particolare caso studio realizzato su topi in laboratorio. Gli autori di questo lavoro si propongono di spiegare i meccanismi molecolari sottostanti la regolazione dell'autofagia indotta da esercizio di Endurance, nelle condizioni nutrizionali di digiuno e sazietà studiando prim'ancora le condizioni fisiologiche dell'esercizio durante il quale, l'attivazione dell' autofagia, è ottimizzata.

Il muscolo scheletrico

muscolo scheletrico
FIGURA 1. STRUTTURA DEL MUSCOLO SCHELETRICO

La muscolatura scheletrica del corpo umano rappresenta circa il 40% del peso corporeo di un adulto ed è composta da numerosissimi gruppi muscolari. Ciascun muscolo è costituito a sua volta, come mostrato in figura 1, da una variabile combinazione di fibre eterogenee e specializzate, diverse dal punto di vista metabolico e funzionale, che permettono al corpo di mantenere la postura e compiere un'ampia gamma di movimenti. Il muscolo, analizzato ancor più nel dettaglio, presenta più superficialmente un rivestimento esterno che prende nome di sarcolemma. È costituito da una membrana cellulare propriamente detta, indicata come membrana plasmatica e da un rivestimento esterno formato da un sottile strato di materiale polisaccaridico, contenente numerose fibre collagene. All'estremità di ciascuna fibra, il sarcolemma si fonde con una fibra tendinea che a sua volta si riunisce con altre fibre tendine provenienti da diverse fibre muscolari realizzando una struttura fibrosa nota come Tendine muscolare; quest'ultimo va infine ad inserirsi nelle ossa garantendo l'adesione dell'intero muscolo sull'osso su cui agisce. Ogni fibra muscolare possiede poi, più internamente, parecchie centinaia di migliaia di miofibrille. Ogni miofibrilla contiene, a sua volta, circa 1.500 filamenti di Miosina e circa 3.000 filamenti di Actina costituiti da grosse molecole proteiche polimerizzate che sono responsabili del meccanismo della contrazione muscolare. Tali filamenti, mostrati nella figura 1, sono anche noti, rispettivamente, come filamenti spessi e filamenti sottili; in seguito saranno trattati dettagliatamente. Dalla figura emerge inoltre, che il loro alternarsi cadenzato e continuo crea un'immagine che, se vista al microscopio a luce polarizzata, appare composta da successioni ripetute di bande chiare e bande scure. Le bande chiare contengono principalmente filamenti di actina e sono chiamate Bande I perché sono isotrope alla luce polarizzata. Le bande scure sono invece, formate da filamenti di miosina e dalle estremità dei filamenti di actina sovrapposti a quelli di miosina, e sono chiamate Bande A perché sono anisotrope alla luce polarizzata. Si notano anche, sempre dalla figura, delle piccolissime proiezioni esterne che emergono dai filamenti di miosina, i così detti Ponti trasversali. Questi, similmente alle teste di numerosissime mazze da golf raggruppate insieme, protrudono verso l'esterno solo nella parte terminale del fascio di filamenti spessi e sono i responsabili del legame che si instaura con i filamenti di actina; legame che, come vedremo meglio successivamente, è alla base del meccanismo della contrazione muscolare. I filamenti di actina sono legati alla Linea Z (chiamata così per via della sua forma zigzagante) che avvolgendo tutta la miofibrilla, finisce per essere più un Disco Z. Da questa linea continua, originano i numerosissimi filamenti di actina che si proiettano, in maniera perpendicolare alla linea Z, tra i fasci di miosina, interponendosi fra essi. Il disco Z è composto da proteine filamentose diverse sia dalla miosina che dall'actina. Attraversa tutto lo spessore della miofibrilla ed è in connessione con le linee Z delle miofibrille adiacenti, determinando cosi una continuità di questi dischi (o linee) per tutto lo spessore di una fibra muscolare. Oltre alla linea Z si osservano anche una Banda H e una Linea M che si ripetono continuamente. La Banda H rappresenta la porzione in cui non essendoci sovrapposizione tra actina e miosina, l'immagine risulta chiara e fotografa la regione che sarà occupata dai filamenti sottili quando scorreranno sopra quelli spessi. La linea M invece, è una sottile linea scura che rappresenta le congiunzioni tra un filamento spesso e quello sovrastante e sottostante. Perciò, lungo tutta la fibra muscolare si osserva una alternanza continua e regolare di bande chiare e bande scure, linee chiare e linee scure, che conferisce all'intero muscolo scheletrico l'aggettivo di muscolo "striato". La porzione di miofibrilla compresa tra due successive linee Z viene definita inoltre, Sarcomero. Quando una fibra si trova distesa alla sua lunghezza normale di riposo, ogni sarcomero è lungo circa 2 micron. Nella fibra muscolare le miofibrille si trovano immerse in una matrice detta sarcoplasma, nella quale sono presenti i comuni costituenti intracellulari. Si trovano infatti elevate quantità di potassio, magnesio, fosfato e proteine con funzione enzimatica. È presente inoltre, un elevato numero di mitocondri, disposti parallelamente alle miofibrille; ciò è indice del fatto che le miofibrille, durante la contrazione, richiedono elevate quantità di ATP prodotte appunto dai mitocondri. È presente, da ultimo, anche un esteso reticolo endoplasmatico che nella fibra muscolare prende il nome di Reticolo sarcoplasmatico. Questo reticolo possiede un'organizzazione speciale dovuta alla notevole importanza che esso riveste nel meccanismo della contrazione fungendo da cisterna di ioni calcio.

Meccanismo molecolare della contrazione muscolare

Prima di passare ad esaminare il meccanismo della contrazione dal punto di vista energetico, è bene soffermarci più dettagliatamente sulle caratteristiche molecolari dei "partecipanti" a questo meccanismo.

filamento di miosina
FIGURA 2. UNITÀ SINGOLA DI MIOSINA
filamento di miosina due
FIGURA 3. UNITÀ SINGOLA DI MIOSINA

Il filamento di Miosina è costituito da molte molecole di miosina, ognuna con un peso di circa 480.000. Nella figura 2 si nota come la molecola singola di miosina sia formata da 6 catene polipeptidiche, due pesanti e quattro leggere con le due pesanti avvolte a spirale tra di loro a formare una doppia elica, e la cui estremità di ciascuna è ripiegata a formare una struttura proteica globulare chiamata testa della miosina, generando così due teste globulari distinte; e le quattro leggere vanno ad accoppiarsi su ciascuna testa prendendo parte alla formazione delle stesse. La caratteristica fondamentale delle teste miosiniche risiede nella sua capacità di funzionare come un enzima ATPasico, quindi, in altre parole, nella loro attività ATPasica. Questa proprietà permette alle teste di scindere molecole di Adenosintrifosfato così da ricavare energia indispensabile per la contrazione, dal legame fosfato proprio dell'ATP. La parte lunga ed avvolta a doppia elica invece, prende il nome di Coda della miosina ed è in contatto stretto con le code di altri filamenti miosinici così da creare un vero e proprio fascio di filamenti. Ciascun filamento è formato da circa 200 molecole di miosina. Dalla figura 3 si vede come numerose molecole si dispongano a creare il filamento, mediamente di lunghezza uniforme di circa 1,6 micron.

actina
FIGURA 4. FILAMENTO DI ACTINA.

Anche il filamento di actina è piuttosto complesso, essendo composto da tre costituenti proteici: actina, tropomiosina e troponina. L'ossatura del filamento di Actina è costituita da lunghe molecole di F-actina appaiate tra loro a costituire una struttura simile ad una collana di perle. Ciascuna collana poi, si avvolge intorno ad un'altra creando anche qui una struttura a doppia elica, composta da molecole di F-actina che però avvolgendosi in tal modo polimerizzano in actina globulare o G-actina. Ciascuna "collana" ha un peso di 42.000, e per ogni giro completo, ciascuna collana presenta un numero definito di F-actine pari a 13 molecole. Ogni G-actina si presenta inoltre, legata una molecola di ADP; quest'ultimo costituisce il sito di legame per i ponti trasversali, e quindi in special modo per le teste miosiniche, del legamento spesso. Il filamento di actina oltre che con l'adenosintrifosfato, prende stretti rapporti con un'altra proteina: la Tropomiosina. Ogni molecola di tropomiosina ha un peso molecolare di 70.000 e una lunghezza di circa 40 nanomeri.

Queste molecole sono debolmente unite ai filamenti di F-actina, avvolte a spirale lungo la doppia elica delle molecole stesse di actina, in modo da impedire l'instaurarsi dell'interazione tra miosina ed actina, evitando cosi che avvenga la contrazione in modo incontrollato. Ciascuna molecola di tropomiosina infatti, copre circa sette siti di legami dell'actina per la miosina. L'ultima proteina, infine, che partecipa alla costituzione del filamento sottile è la Troponina, che si trova attaccata vicino ad una estremità di ciascuna molecola di tropomiosina. La troponina è in realtà un complesso di tre subunità proteiche debolmente legate tra loro, ognuna delle quali ha un ruolo specifico nel controllo della contrazione. La subunità T ha una forte affinità per la tropomiosina e serve per mantenerla saldamente attaccata a quest'ultima; la subunità I ha una capacità inibitrice verso il legame con gli ioni calcio mentre invece la subunità C ha una forte affinità, e va ad instaurare legami non appena questi sono disponibili, per gli ioni calcio.