Muscoli 1.pdf - Master in INGEGNERIA CLINICA

Biomeccanica del Tessuto Muscolare
Il tessuto muscolare è la base costitutiva di tutti i tipi
di muscolo ed è responsabile della locomozione e del
movimento delle varie parti del corpo.
Esistono due tipologie di tessuto muscolare:
• il tessuto muscolare striato, in genere organizzato in
unità motorie controllate dai motoneuroni del sistema
nervoso volontario e ulteriormente suddivisibile in:
-scheletrico
-cardiaco
• tessuto muscolare liscio, in genere controllato dal
sistema nervoso autonomo.
Si noti che questo tipo di suddivisione è stilata su base
visiva ed esistono diverse eccezioni (ad esempio gli
sfinteri sono costituiti di tessuto muscolare liscio ma
sono sotto controllo del sistema volontario).

Si possono evidenziare in ordine gerarchico diverse
unità:
Muscolo: circondato dall’epimisio, è suddiviso in:
Fascicoli: sono delimitati e circondati da tessuto
connettivo (perimisio); al loro interno contengono un
insieme ordinato di:
Fibre muscolari: sono l'elemento di base del muscolo
scheletrico.
Ogni fibra è una singola cellula ed è polinucleata per
soddisfare al fabbisogno energetico della stessa (si
hanno centinaia di nuclei per fibra).
Le fibre vanno da un estremo all'altro del muscolo, o ne
attraversano solo parte, terminando in tessuto
connettivo o tendineo.
(diametri di 10-60 µm e lunghezze variabili da qualche
millimetro fino a mezzo metro nei muscoli lunghi)
muscolo
endomisium
perimisium
fascicolo
fibra

Un muscolo è formato dalla fusione di centinaia di fibre.
Gran parte dell’interno della fibra muscolare è formata
da filamenti proteici (miofibrille)
Il Muscolo Scheletrico è attaccato alle ossa tramite i
tendini.
Serve per produrre movimenti o esercitare forze:
locomozione, postura, respirazione, mangiare,
espressione….
I muscoli sono innervati
da motoneuroni,
comandati dal sistema
nervoso centrale. L’unita’
motoria comprende il
neurone, e le fibre
muscolari che lui attiva.
La risposta graduata è
dovuta alla variazione nel
grado di attivazione del
tessuto dai nervi.

Il muscolo scheletrico viene chiamato anche muscolo
striato perché, visto al microscopio, forma delle bande
chiare e scure alternativamente ripetute
Le bande sono allineate in senso trasverso.

Le Miofibrille hanno
diametri dell'ordine del
µm ed all'indagine
microscopica con l'uso
di appositi coloranti e
sotto luce polarizzata,
appaiono striate
Questa caratteristica è dovuta al fatto che
all'interno della miofibrilla vi sono sostanze che
interagiscono col piano di polarizzazione della luce
e che delimitano due bande distinte: quella isotropa
I e quella anisotropa A, le quali sono bisecate
rispettivamente da altre due bande (o zone) più
sottili, che vanno sotto il nome di Z ed H.
Queste operano
un'ulteriore
suddivisione all'interno
delle miofibrille
evidenziando i
Sarcomeri che
costituiscono l'unità
contrattile di base del
muscolo scheletrico e
sono delimitati da due
bande Z successive

All'interno di essi si hanno i
miofilamenti di actina e di
miosina, complessi proteici la cui
disposizione spaziale è ben
regolare.
La lunghezza a riposo del
sarcomero è di circa 2,5mm ed è
variabile a seconda dell'attività
del muscolo.

Filamenti sottili: Contengono le proteine
actina, troponina e tropomiosina.
La proteina F-actina è composta da due catene
intrecciate ad elica. Una molecola di ADP è
attaccata ad ogni catena.
La troponina è infilata dentro l’F-actina e ha tre
subunità: una che si lega all’actina, una alla
tropomiosina, e una che si lega in maniera reversibile
con lo ione Ca++.

Filamenti Spessi: Ogni filamento spesso è
composto da centinaia di molecole di miosina.
La miosina è composta da due catene pesanti
(meromiosina pesante) e 4 leggere
(meromiosina leggera).
La miosina leggera si aggrega per formare filamenti,
mentre la miosina pesante, che è la parte attiva,
forma due teste piegate. Le teste si legano con
l’actina e funzionano da ATPasi (idrolizzano ATP in
ADP +P rilasciando energia).
L’energia viene utilizzata nel meccanismo di
contrazione.

Le fibre muscolari sono circondate da una rete di
elementi vescicolari: il reticolo sarcoplasmatico che
regola i meccanismi di contrazione attraverso il
rilascio (che porta alla contrazione) e il richiamo (che
porta al rilassamento) di Calcio. Lo ione Ca++ viene
rilasciato quando c’è una depolarizzazione che apre i
canali ionici del reticolo sarcoplasmatico.
Il meccanismo di contrazione dei sarcomeri non è
ancora precisamente compreso.
Si sono succedute nel tempo varie ipotesi e teorie per
spiegare il meccanismo contrattile dei miofilamenti,
alle quali hanno fatto seguito i relativi modelli
matematici.
Tra queste, quella più accreditata è la cosiddetta
cross bridge theory, la quale vede la formazione di
ponti trasversali ATP-dipendenti tra le teste della
miosina e gli appositi siti dell'actina ed il conseguente
movimento relativo tra i due sliding filaments
(filamenti scorrevoli).

La teoria dei filamenti scorrevoli
(Huxley 1954)
La teoria modellizza la contrazione come dovuta al
movimento relativo tra i filamenti spessi e i filamenti
sottili .
L’osservazione è basata sul fatto che le bande A
rimangono invariate durante una contrazione.
Lo scorrimento è dovuto alla formazione e alla rottura
di ponti tra actina e miosina.
Le teste delle molecole di miosina si attaccano al sito
attivo di actina e lo tirano verso l’interno del
sarcomero. Dopodichè la miosina lo rilascia e si
attacca al prossimo sito per ripetere il ciclo.

Durante il riposo, le interazioni tra actina e miosina sono
inibite a livello del sito attivo di interazione dei due
filamenti.
Allorché un potenziale di azione si propaga sulla fibra, il
reticolo sarcoplasmatico rilascia il Ca++. Il Ca++ si lega
alla troponina, attivando un cambiamento di
conformazione della molecola, che a sua volta espone il
sito attivo dell’actina, al quale si lega la miosina.
Prima che inizi la contrazione, l’ATP si lega alla testa
della miosina. Questo viene subito idrolizzato
dall’ATPase sulla testa. ADP e P rimangono attaccate
alla testa.

A questo punto, grazie all’energia fornita dall’ATP e
con il rilascio di P, la testa di miosina si ruota
(questo è il power stroke) e causa uno scorrimento
del filamento di actina.
Una volta che la testa ruota (o comunque varia
l’angolo), l’ADP viene rilasciato, e un nuovo ATP può
legarsi alla testa.
Si osservi come senza ATP, non c’è rilascio.
Quindi l’ADP è necessario affinché si leghino, e
l’ATP perché si separino.

Se la teoria è giusta, si dovrebbe osservare un
movimento di miosina durante una contrazione.
Dai dati più recenti ottenuti con diffrazione a raggi
X, sembra che non ci sia una rotazione, ma un
effettivo accorciamento dei filamenti spessi (la
teoria invece è basata sul fatto che i filamenti non
si accorciano ma si muovono uno rispetto all’altro,
quindi le bande A rimangono invariate).
Adesso la versione generalmente accettata punta su
una contrazione delle catene leggere di miosina, ma
sempre con lo scorrimento dell’actina.

Una teoria alternativa proposta da Pollack afferma che i
filamenti di miosina sono interconessi tra di loro, e
l’actina scorra al loro interno, agganciandosi ai siti di
miosina una alla volta.
Inoltre si ha un
accorciamento della catena
leggera della miosina.
La base di questa teoria è
che tutto dipende dalla
struttura dell’acqua nel
sistema.
L’ingresso di Ca++ causa
l’espulsione di acqua, come
anche l’ATP.
Questo è la causa principale
della contrazione.

Per descrivere in modo completo le prestazioni di
un muscolo scheletrico è sufficiente prendere in
considerazione solo tre variabili: forza, lunghezza e
tempo (dalle quali sono derivate velocità e lavoro).
Oltre ad esse vengono definite, nello studio delle
proprietà contrattili le seguenti variabili:
•lunghezza normalizzata rispetto a quella di riposo,
(L/Lo)
•forza per unità di area, F
•velocità, v=dL/dt
•stiffness, dF/dl
•compliance, dL/dF
•lavoro, W=Fdl
•potenza, p=dW/dt
Solitamente si mantiene costante una delle tre
variabili principali e si ricavano le relazioni tra le
altre due.
Le tipologie di contrazione possibile nel muscolo
scheletrico sono:
Isometrica: lunghezza fissa e la tensione aumenta
con l’attivazione
Isotonica: il carico è fisso e il muscolo può
accorciarsi
Isocinetica: la velocità di contrazione è fissa e la
tensione può variare

La Contrazione isometrica
Il muscolo (o, nello specifico, il singolo sarcomero) è
viene mantenuto a lunghezza costante, e sviluppa una
forza quando stimolato elettricamente. Questo
produce una contrazione o twitch.
La forza varia con la lunghezza iniziale.
Infatti, la tensione massima viene sviluppata quando il
muscolo è a riposo.
Il massimo si ha quando i due filamenti sono
sovrapposti per tutta la loro lunghezza, e quindi il
numero di ponti è massimo.

La tensione sviluppata dal sarcomero è funzione della
sua lunghezza, o meglio dalla sovrapposizione dei
miofilamenti:
per lunghezze superiori a 3,7mm non si ha sviluppo di
forza a causa della non interazione tra i miofilamenti;
analogamente succede per lunghezze inferiori a quella
ottimale L0 a causa dell'interferenza reciproca dei
miofilamenti che provoca un'alterazione del
meccanismo di attivazione e della geometria dei
sarcomeri.
La tensione massima è sviluppata quando il muscolo è
mantenuto a lunghezze fisiologiche.

Inoltre è importante notare che la caratteristica
meccanica esterna del muscolo è la somma di due
stati: quello attivo, determinato dalla tensione
sviluppata dal sarcomero, e quello passivo,
determinato dalla rigidezza dei costituenti del
tessuto (fondamentalmente connettivo e tendineo).
Per quanto riguarda quest'ultimo è possibile darne una
espressione di tipo esponenziale:
σ = µ e αε -β
in cui α e β sono una caratteristica del materiale e µ è
una costante d'integrazione.

La Contrazione isotonica
Il muscolo è lasciato libero di
accorciarsi/allungarsi sotto l'imposizione di un
carico costante.
Gli esperimenti di questo tipo sono solitamente
quelli di quick release: si prepara il muscolo (o il
singolo sarcomero) attaccandogli un carico
predeterminato e portandolo alla lunghezza
ottimale L0 per lo sviluppo di forza, dopodiché si
stimola in regime tetanico, lo si lascia libero di
accorciarsi/allungarsi tramite un fermo
elettromeccanico e si misura la velocità di
contrazione come pendenza della caratteristica
sforzo-deformazione.

Si noti la discontinuità tra i due regimi di
accorciamento ed allungamento, attribuibile al
cambio di comportamento del muscolo
rispettivamente da contrazione ad allungamento.

scheletrico Cardiaco Liscio
Diametro µm 50-100 5-10 2-10
Lunghezza µm centimetri 100-200 20-600
Nucleo tanti 1-2 1
Mitocondri 2-12% volume 40% volume 5% volume
Tuboli diametro 20 nm 100 nm Non ci sono
Reticolo
sarcoplasmatico
Abbondante e
ben organizzato(9%)
Filamenti Spesso e
sottile
Innervazione CNSvoluntario
Tutto o niente
Poco (1-2%)