Ipertrofia muscolare a livello molecolare
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Ipertrofia muscolare a livello molecolare

Analisi del processo genetico e molecolare che determina il fenomeno dell’ipertrofia muscolare, il ruolo degli ormoni anabolici, delle proteine segnale e delle cellule satellite nell’aumento della massa.

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Ipertrofia muscolare a livello molecolare

L'allenamento fisico, specialmente quello anaerobico, va ad agire sul muscolo determinandone un aumento di volume che si palesa con l'aumento delle dimensioni delle fibre già esistenti; processo noto come “ipertrofia”.
La spiegazione di tale fenomeno risiede nell'aumentata sintesi e deposizione di proteine contrattili nelle fibre che determina un aumento del diametro di queste; effetto che esternamente appare come un ingrossamento della massa muscolare.

L'ipertrofia muscolare è un processo multidimensionale che coinvolge numerosi fattori. Si tratta, in sostanza, di una complessa risposta di segnali tra le cellule satellite, il sistema immunitario, i fattori di crescita e gli ormoni con le singole fibre muscolari. Sono diversi i segnali che spostano la cellula in una condizione di anabolismo ed inibiscono il catabolismo proteico.

In questo complesso sistema troviamo: proteine segnale chiamate citochine provenienti dal sistema immunitario, alcuni ormoni anabolici (IGF-1, il testosterone e ormone della crescita) che giocano un ruolo primario nel promuovere l'ipertrofia.

La maggior parte di questi segnali partono dall'infiammazione scatenata dal danno muscolare causato dall'allenamento che porta a dolori muscolari detti “DOMS” che sono proprio la manifestazione delle microlesioni causate dal carico allenante.Inoltre si crede che lo stress metabolico, il risultato dei sottoprodotti del metabolismo anaerobico, (ioni idrogeno (H+), lattato, e fosfati inorganici) sia coinvolto nel promuovere fattori ormonali che portano alla ipertrofia muscolare.

L'ipertrofia muscolare a livello molecolare

Fattori e trascrizione MGF

Come detto in precedenza lo stimolo allenante provoca delle microlesioni, conseguenti il carico meccanico, che avviano i processi infiammatori, elencati precedentemente, da questo danno si avvia la Trascrizione dell'IGF-1 miogeno (MGF).

Sono 3 le proteine muscolari che sembrano essere in grado di stimolare la sintesi del MGF isolate con immunoblot, e sono:

  1. Miomesina
  2. Myosin-building protein C
  3. Titina

L'attivazione dell'espressione del MGF è stata associata anche ad un aumento di cAMP nelle cellule1.

La differenza tra l'IGF-1 Ea (Epatico) e il MGF (IGF-1 Ec) non è nel gene che li trascrive ma semplicemente nel processo di splicing differente e, come detto precedentemente, nel meccanismo di attivazione della trascrizione che dell'isoforma Ea è il GH.

Il MGF si differenzia per la presenza di 49 basi inserite tra il 4° e il 6° esone dell'IGF-1 Ea.

Questo 5° esone con meno basi, appare con un differente Domino-E, che induce la divisione dei mioblasti mononucleati e attiva le cellule satelliti richieste per l'ipertrofia muscolare e la riparazione del danno meccanico2.

Una volta sintetizzato il MGF è in grado di svolgere azione paracrina sulla fibra muscolare dando inizio al Pathway IGF-1/AKT/ mTOR.
Prima di andare avanti spieghiamo anche cos'è AKT e mTOR:

Pathway IGF-1/Akt/mTOR

  1. L'IGF-1 attiva il recettore tirosin-chinasico (RTK)
  2. Il complesso IGF-1+RTK attiva la fosfoinositide 3-chinasi (PI3K) che è normalmente legata alla coda citoplasmatica degli RTK
  3. Il PI3K fosforila il fosfolipide di membrana da fosfatidil inositolo 4,5 bifosfato (PIP2) a fosfatidil inositolo 3,4,5 trifosfato (PIP3), formando sulla membrana un sito di legame per l'Akt. A PIP3 si lega anche PDK1 (Phosphoinositide Dependent Kinase 1) che è la principale attivatrice di Akt3.
  4. L'Akt, attivata dalla chinasi PDK1, è in grado di fosforilare una vasta gamma di substrati che agiscono nella sintesi proteica tra cui: mTOR (mammalian Target Of Rapamycin), e GSK3 (Glycogen Synthase Kinase 3) 4
  5. L'mTOR induce l'aumento della sintesi proteica attraverso 2 differenti complessi: Rapamicin-sensitive TORC1 Complex (Raptor) e Rapamicin-insensitive TORC2 Complex (Rictor). Raptor effettua un controllo positivo su 𝑝70𝑠6𝑘, attivandola, oppure regolando negativamente PHAS-1 ed 4E-BP1 inibendone l'azione. Entrambe queste Azioni promuovono la sintesi proteica
  6. AKT mediante fosforilazione blocca GSK3 prevenendo l'azione repressiva che questo ha sulle proteine bersaglio, tra cui un fattore di inizio della traduzione (eIF2B) implicato nella sintesi proteica5

Prodotti del Pathway PI3K/Akt/mTOR

  • eIF2B (eukaryotic initiation factor 2B): è una proteina con più subunità necessaria per l'avvio della sintesi proteicae la sua regolazione nelle cellule eucariotiche6
  • 𝒑𝟕𝟎𝒔𝟔𝒌: il suo coinvolgimento nel pathway in questione è documentato da Chung J at Al7 L'incremento della sua fosforillazione è conseguente, ad esempio, all'apporto di leucina che favorisce l'attivazione di mTOR. Con l'esercizio fisico si attiva la sintesi proteica attraverso l'attivazione di questa proteina
  • 4E-PB1 (Eukaryotic translation initiation factor 4E-binding protein 1): questa proteina interagisce direttamente con la eIF4E (eukaryotic initiation factor 4B). Questa interazione inibisce la composizione del complesso dell' mRNA con la subunità ribosomiale 40S, reprimendo la traduzione
  • eIF4G (eukaryotic initiation factor 4 gamma): è una proteina che si occupa di portare l'mRNA al ribosoma per la traduzione

Relazioni tra AMPK e GSK3

AMPK

L'AMPK si compone di tre subunità proteiche che insieme formano un enzima funzionale. Si esprime in diversi tessuti inclusi: fegato, cervello e muscolo scheletrico, inoltre agisce come interruttore principale della regolazione metabolica in diversi sistemi intracellulari tra cui l'assorbimento cellulare di glucosio, la β-ossidazione degli acidi grassi, la biogenesi del trasportatore di glucosio 4 (GLUT4) e nei mitocondri (Attivati dai lavori aerobici). Da non confondere con la proteina chinasi cAMP-dipendente (proteina chinasi A) che, pur essendo di natura analoga, può avere effetti opposti.

GSK-3

Fondamentale è il suo ruolo in diversi pathways intracellulari come: proliferazione cellulare, migrazione, infiammazione e risposta immunitaria, regolazione del glucosio e l'apoptosi.

Le loro interazioni in condizioni di anabolismo e catabolismo

Quando si presenta una ricca riserva di nutrienti in condizioni anaboliche, i fattori di crescita stimolano il pathway IGF-1/Akt/mTOR. L'attivazione dell'AKT fosforila GSK3 inibendolo e stimolando la sintesi di glicogeno.
Al contrario in situazione di bassa disponibilità di nutrienti, quindi in una situazione di Catabolismo, AMPK inibisce la sintesi proteica, fosforilando TSC2 e Raptor8 e stimola l'autofagia attraverso la fosforilazione dell'ULK1.

TSC2 è la proteina di collegamento tra AKT, mTOR e AMPK dato che; mTOR è attivata dall'AKT ed è inibita dall'AMPK mediante l'azione di queste su TSC2 che funge da vero e proprio interruttore.

Interazione tra FoxO e AKT

La trascrizione eccessiva di Atrogin-1 e di altri diversi geni legati all'autofagia è normalmente bloccata dall'AKT attraverso una regolazione negativa dei fattori di trascrizione FoxO9. AKT fosforila le proteine FoxO, promuovendo la loro fuoriuscita dal nucleo verso il citoplasma.

Come previsto la ridotta attività dell'AKT osservata in diversi modelli di atrofia muscolare risulta in una diminuzione della FoxO fosforilata nel citoplasma e un marcato aumento della FoxO nucleare.L'isoforma FoxO3 promuove l'atrogin-1 e l'atrofia muscolare quando sono transfettate (processo di introduzione di materiale biologico esogeno in cellule eucariotiche) nei muscoli scheletrici in vivo10.

Interazioni tra FoxO3 e AMPK

Altre ricerche hanno rivelato una connessione tra AMPK e FoxO3.
AMPK fosforila alcuni siti per l'AKT su FoxO3 stimolando la sua attività di trascrizione altrimenti inibita dall'AKT11.
È stato recentemente scoperto che FoxO3 è attivato via AMPK nelle fibre muscolari, inducendo la produzione di atrogin-1 in condizione di stress causando la perdita muscolare12.

Tipologie di Ipertrofia

Ipertrofia Miofibrilare

Si intende l’aumento del numero di miofibrille per ciascuna fibra muscolare e quindi un aumento in parallelo di Sarcomeri, questo porta ad un aumento della forza.
Gli stimoli che inducono questo tipo di ipertrofia sono sub massimali (>80% RM)

Ipertrofia sarcoplasmatica

Porta l’aumento del sarcoplasma dovuto a ritenzione di glicogeno muscolare ed altre sotto unità cellulari13 e a nessuno sviluppo di nuove proteine contrattili; questo adattamento non porta ad aumento o miglioramento nella forza.
Gli stimoli che inducono ad ipertrofia non funzionale coinvolgono maggiomente le fibre di tipo 1 e tipo 2a, mentre non coinvolgono in maniera rilevante le 2x.