BIOCHIMICA MEMBRANE BIOLOGICHE E TRASPORTO MOLECOLARE

• Biochimica cerca di descrivere le leggi alla base della vita degli organismi viventi, basandosi sull'unità biologica della cellula.

• La cellula è formata da membrane, nucleo e organelli.

• La biochimica descrive le strutture e i meccanismi che governano le funzioni cellulari, focalizzandosi sulle biomolecole.

Membrane

• Le membrane definiscono i confini cellulari, regolano il traffico molecolare e suddividono lo spazio interno (negli eucarioti) in compartimenti.

• Caratteristiche: resistenti, flessibili, autosigillanti (es. formazione di vescicole per endocitosi/esocitosi).

• Delimitano compartimenti (citosol, mitocondri) contenenti proteine specializzate (enzimi) che collaborano in specifiche funzioni o vie metaboliche.

• Impermeabili a molecole polari, ma selettivamente permeabili ad alcuni ioni (Na, K, Ca), che possono essere accumulati o rilasciati per funzioni specifiche (es. contrazione muscolare).

• Proteine specializzate presenti sulle membrane:

  • Trasportatori e canali: spostano molecole o ioni attraverso la membrana.

  • Recettori: interagiscono con ligandi specifici (ormoni, citochine), innescando cascate di eventi molecolari (es. insulina, glucagone; citochine).

  • Molecole di adesione: tengono adese le cellule alla matrice biologica (es. integrine).

  • Complessi enzimatici (es. catena di trasporto degli elettroni mitocondriale).

• Le membrane creano compartimenti per:

  • Separare vie metaboliche incompatibili (biosintesi vs. degradazione lipidi).

  • Produrre proteine modificate (es. glicosilate).

  • Creare gradienti chimici o elettrici (es. mitocondri per la produzione di ATP).

Componenti delle membrane

• Lipidi polari

• Proteine

• Carboidrati (glicoproteine e glicolipidi)

Lipidi polari

• I fosfolipidi sono anfipatici e si dispongono in monostrati (micelle) o doppi strati (liposomi) in acqua.

• Micelle: catene idrofobiche degli acidi grassi sono sequestrate all’interno della sfera, lontano dall’acqua.

• Liposomi: doppi strati lipidici racchiudono una cavità acquosa; le teste polari interagiscono con l'acqua, le catene lipidiche sono protette.

• Modello a mosaico fluido:

  • Fosfolipidi formano il doppio strato lipidico.

  • Proteine immerse o appoggiate alla membrana.

  • Mobilità laterale di lipidi e proteine, ma limitato passaggio tra i foglietti.

  • Zuccheri (glicoproteine e glicolipidi) solo sul lato extracellulare.

• Costituenti abbondanti: colesterolo e fosfolipidi.

• Fosfolipide: glicerolo con 2 acidi grassi (saturi o insaturi) e un gruppo fosfato legato a colina, etanolammina o serina.

• Colesterolo: simile al fosfolipide, con testa polare (idrossile), corpo steroideo e coda apolare; regola la fluidità della membrana a diverse temperature.

• La fluidità delle membrane biologiche è mantenuta costante dagli organismi viventi, anche modificando le catene degli acidi grassi nei fosfolipidi in risposta a variazioni di temperatura.

• Diffusione trasversale spontanea dei fosfolipidi è molto lenta.

• Enzimi (flippasi, floppasi, scramblasi) utilizzano ATP per il trasporto di fosfolipidi tra gli strati della membrana.

• Essenziale per generare curvature della membrana.

• La fusione tra membrane è importante per molti processi cellulari.

• La struttura di una molecola di ATP è formata da adenina + ribosio + 3 fosfati.

• Distribuzione asimmetrica di fosfo- e glicolipidi nel doppio strato.

  • Apoptosi: esposizione di fosfatidilserina sul foglietto extracellulare (flopping) porta alla distruzione cellulare programmata.

  • Trombi: aggregazione piastrinica dopo esposizione extracellulare di fosfatidilserina.

Proteine di membrana

• Proteine integrali: associate strettamente al doppio strato, rimosse con detergenti/solventi organici.

• Proteine periferiche: associate tramite legami deboli (elettrostatici, legami a H) o anfitropiche.

• Proteine anfitropiche: legate covalentemente ai lipidi, solo sul lato citosolico.

• Proteine integrali possono essere glicoproteine (recettori).

• Proteine integrali hanno sequenze idrofobiche ad α-elica (20-25 aa) per attraversare la membrana.

Trasporto molecolare

• Diffusione semplice (soluti apolari): movimento secondo gradiente chimico fino all'equilibrio.

• Diffusione semplice (soluti polari carichi): movimento secondo gradiente elettrico fino all'equilibrio.

• Canali: non saturabili, trasporto secondo gradiente, flussi elevati.

• Trasportatori: legano soluti e li veicolano, saturabili.

Classi di trasportatori

1. Uniporto: trasporto di un soluto in un solo senso.

2. Simporto: trasporto simultaneo di due soluti.

3. Antiporto: trasporto di soluti diversi in direzioni opposte.

Suddivisione trasportatori

• Passivi (secondo gradiente, no ATP).

• Attivi (contro gradiente, con ATP): primari (ATPasi) e secondari.

Trasportatore passivo

• Scambiatore cloruro-bicarbonato (antiporto) sulla membrana eritrocitaria: entrata di Cl- ed uscita di HCO3- (non modifica il potenziale di membrana) → acidifica il citosol e favorisce il rilascio di O2 dall’emoglobina.

• ATP-sintasi: sfrutta gradienti protonici transmembrana mitocondriale per produrre ATP (4 H+ → 1 ATP).

• GLUT4: diffusione facilitata del glucosio in cellule muscolari e adipose; l’insulina stimola il trasporto di vescicole contenenti GLUT4 alla membrana plasmatica. Anche l’attività sportiva induce la fusione di queste vescicole con la membrana.

Trasportatore attivo

• Trasporto contro gradiente con utilizzo di energia.

• Primario: proteina che trasporta il soluto e idrolizza ATP.

• Secondario: trasportatore primario abbinato ad un trasportatore passivo (simporto).

Esempi trasporto attivo

• Pompa Na+/K+ ATPasica: scambio di K+ e Na+ contro gradiente, creando un gradiente elettrochimico che polarizza la membrana (3 Na+ fuori, 2 K+ dentro); elettrogenica.

• Mantenimento del potenziale di membrana richiede spesa energetica.

• Captazione lattosio in E. coli: pompa protonica (trasportatore primario con attività ATPasica).

• Trasporto attivo secondario nel rene (GLUT2): cotrasporto di glucosio e Na+ (simporto); Na+ rientra secondo gradiente (grazie alla pompa Na/K ATPasica) e porta con sé il glucosio contro gradiente.

• Canali ionici: più veloci dei trasportatori, non sono saturabili, aperti/chiusi in risposta a ligandi o differenze di potenziale.

• Difetti nei canali ionici possono causare patologie.

Mioglobina ed emoglobina

Mioglobina

• Proteina muscolare globulare con struttura terziaria.

• Lega l’O2 e ne facilita l’accumulo nelle cellule muscolari a riposo e il suo rilascio rapido durante la contrazione.

• Costituita da una catena di 153 aa e da un gruppo EME (ferroporfirinico).

• Gruppo EME (ferroporfirinico) posizionato all’interno di una tasca idrofobica e agganciato alla catena laterale di un’istidina (His).

• Scheletro della mioglobina: 8 segmenti compatti di α-eliche destrorse (78% della molecola).

• Aa idrofobici all’interno, aa polari alla superficie tranne 2 His importanti per la cattura dell’O2.

Gruppo EME

• Protoporfirina presente in mioglobina, emoglobina e citocromi.

• Il Fe2+ forma 6 legami di coordinazione:

  • 4 con gli atomi di N dell’anello tetrapirrolico

  • 1 con l’N di un’His

  • 1 con una molecola di O2

• Impedisce l’accesso alle molecole di acqua e quindi l’ossidazione del Fe2+ a Fe3+.

• L’O2 si lega al Fe formando un legame angolato rispetto al piano dell’EME.

• Il CO (monossido di carbonio) si lega al Fe del gruppo EME con una efficienza 200 volte superiore all’O2 e irreversibilmente.

• Un legame a H con l’His64 (E7) stabilizza il legame dell’O2 con il Fe del gruppo EME.

• Mioglobina: proteina di accumulo dell’O2 all’interno dei muscoli, dove la pressione parziale di ossigeno (pO2) è, in condizioni di riposo, pari a 4 kPa.

• Curva di legame iperbolica.

• Il legame della Mb all’O2 è insensibile a piccole variazioni della [O2] disciolto.

• Quando la pO2 è pari a 4 kPa, quasi il 100% di Mb è satura di O.

• Funziona bene per il deposito, trattiene cioè l’O2 e lo cede, per la respirazione cellulare solo quando la [O2] citoplasmatica è molto bassa.

• Frazione di siti di legame mioglobinici occupati dall’O2 (θ) è riportata in funzione della pO2 P_{50} = 0.26 kPa

• Mioglobina cede la metà dell’O2 legato a 0.26 kPa pO2.

Emoglobina

• Proteina eritrocitaria trasportatrice di O2.

• Satura in O2 al 98% nel sangue arterioso (a livello dei polmoni), rilascia il 38% dell’O2 nei tessuti (rimane il 60% nel sangue venoso), permettendo la vita in condizioni ipossiche.

• Rappresenta il 34% delle proteine all’interno dei globuli rossi.

• Multimerica, formata da 4 subunità (monomeri), ognuna con una catena peptidica (globina) e un gruppo EME.

• Globina α (141 aa) e globina β (146 aa) formano un tetramero α2β2 nell’HbA (adulto).

• HbF (fetale): 2 catene γ, più affine all’O2, permette al feto di sottrarre l’O2 dal sangue materno; presente anche nell’adulto in piccola percentuale.

• Mioglobina e monomeri dell’emoglobina hanno strutture tridimensionali simili, ma diversa affinità per l’O2.

• Curva di saturazione dell’O2 alla Hb: sigmoidea.

• A livello polmonare (pO2 = 13.3 kPa), il 98% dell’Hb è carica di O2, mentre la Mb sarebbe carica di O2 per il 100%.

• A livello tissutale (pO2 = 4 kPa), il 60% dell’Hb è carica di O2, perciò l’Hb lega bene l’O2 nei polmoni, ma è anche in grado di cederlo.

• Le 4 subunità dell’Hb hanno un’attività cooperativa.

• L’Hb esiste in 2 conformazioni:

  • Stato R (alta affinità).

  • Stato T (bassa affinità).

• Se l’Hb esistesse solo nello stato ad alta affinità, si caricherebbe bene di O2 nei polmoni, ma non lo rilascerebbe nei tessuti.

• Le diverse curve di saturazione indicano che il tetramero Hb non si comporta come 4 subunità indipendenti (cioè come 4 Mb), ma queste collaborano per legare l’O2 → Effetto cooperativo.

• La struttura della globina in vicinanza del gruppo EME cambia conformazione in seguito al legame con l’O2:

  • Stato T: la porfirina ha forma a cupola (il Fe protrude verso l’His F8).

  • Legame con O2: l’EME diventa planare e trascina l’His F8 e quindi l’elica F → transizione da T a R (nel polmone), che stabilizza l’interazione con l’O2.

• Le modificazioni strutturali in ciascun monomero modificano anche la struttura del tetramero; il legame con l’O2 modifica la struttura da T a R.

• Nella transizione T → R si perdono alcuni legami salini (His HC3 C-terminali delle catene β si liberano da legami elettrostatici, ruotano verso il centro).

• Nel sito di regolazione allosterica dell’Hb si lega una molecola di BPG (2,3-bisfosfoglicerato): divarica le subunità β (transizione R → T).

• La presenza del BPG consente all’Hb di diventare una molecola reversibile, per legare e cedere l’O2.

Effetto Bohr

• L’acidificazione del citosol negli eritrociti rilascia O2 dall’Hb.

• Metabolismo muscolare genera CO2 che entra nei globuli rossi acidificando l’ambiente:

  • pH polmonare = 7.6.

  • pH tissutale = 7.2.

• Hb ha differente affinità dell’O2 in base al pH.

• La CO2 (dal ciclo di Krebs) esce dai tessuti e diffonde nel sangue, dove entra nei globuli rossi:

  • Una piccola parte (< 1%) si lega all’Hb come carbammato.

  • La maggior parte viene idratata a bicarbonato:
    CO2 + H2O \leftrightarrow H^+ + HCO_3^-

• L’anidrasi carbonica eritrocitaria trasforma CO2 in HCO3- e H+.

• Lo scambiatore cloruro-bicarbonato (antiporto) permette la fuoriuscita dello ione HCO3- e l’entrata dello ione Cl-.

• Si forma HCl (acido forte) che abbassa il pH all’interno dell’eritrocita → rilascio di O2.

• A livello del polmone avviene il contrario e si riforma H2CO3 → H2O + CO2 con conseguente ribasificazione del pH.

• Il bicarbonato riversato nel plasma serve a mantenere l’omeostasi agendo come sistema tampone.

BPG

• Regolatore allosterico dell’Hb, importante per l’adattamento all’alta quota.

• Presente in quantità elevata nei globuli rossi (5 mM), ma trascurabile negli altri tessuti.

• Deriva da un ramo accessorio della glicolisi che consente di trasformare una molecola di glucosio in 2 molecole di piruvato.

• BPG-mutasi: trasforma 1,3-bisfosfoglicerato in 2,3-bisfosfoglicerato.

• In condizioni ipossiche, l’attività di questo enzima aumenta (da 5 mM a 8 mM).

• A livello del mare (5 mM BPG) → 13,3 kPa:

  • Hb lega il 98% di O2 nei polmoni e il 60% nei tessuti.

  • La quota di O2 rilasciata è il 38% del totale legato all’Hb.

(0.98 – 0.60 = 0.38)

• A 4500 metri di altitudine, la pO2 dei polmoni scende a 7 kPa:

  • Nei polmoni si lega solo il 90% di O2.

  • La frazione di O2 rilasciata ai tessuti scende dal 38% al 30%.

• Alcune ore dopo la concentrazione eritrocitaria di BPG aumenta da 5 mM a 8 mM.

• In presenza di 8 mM BPG, nei polmoni si lega solo l’82% di O2 → la riduzione di affinità fa sì che la quota di O2 legata all’Hb scenda al 45% nei tessuti → la frazione di O2 rilasciata ai tessuti risale (dal 30%) al 37%.

Muscolo

• Il muscolo scheletrico è un organo costituito da cellule di diversi tessuti: nervoso, connettivo e muscolare.

• Rappresenta il 40-50% del peso totale dell’essere umano (più di 600 muscoli).

• Funzioni: muovere le ossa dello scheletro tramite i tendini, mantenere la postura, accumulare e mobilizzare sostanze, generare calore.

Struttura anatomica

• Tessuto connettivo, vasi sanguigni, nervi e fasci di fibre muscolari.

• 3 strati di tessuto connettivo:

  1. Epimisio: più esterno, racchiude gruppi di fascicoli.

  2. Perimisio: avvolge ciascun fascicolo (10-100 fibre muscolari).

  3. Endomisio (sarcolemma): contorna ogni fibra muscolare.

• All’interno della fibra muscolare sono contenute le unità contrattili (microfilamenti).

• Il numero di fibre muscolari varia da centinaia a più di un milione.

Fibra muscolare

• Forma allungata-cilindrica, costituita da H2O (75%), proteine (20%) e altre sostanze (5%).

• Lunghezza variabile (pochi millimetri nei muscoli dell’occhio, fino a 30 cm nei muscoli della coscia).

• In grado di sopportare il metabolismo ossidativo (numerosi mitocondri).

• Sincizio plurinucleato (più di 100 nuclei, ha perso la capacità di replicare per mitosi).

• Deriva dalla fusione di cellule mesodermiche (mioblasti).

  • Mioblasti moltiplicano in presenza di fattori mitogeni (FGF, TGFβ e IGF).

  • Smettono di replicare su produzione di miogenina.

  • Fondono le membrane cellulari e formano miotubi (non possono più replicare).

  • Subiscono il processo di «differenziamento» diventando fibre muscolari con la formazione delle miofibrille contrattili.

• Mioblasti permangono come cellule satelliti (mononucleate, con capacità di replicazione).

  • Restano quiescenti attorno alla fibra muscolare fino a stimoli opportuni (infortunio, allenamento intenso, ormoni).

  • Possono differenziarsi in fibre muscolari mature fondendo la loro membrana con quella della fibra muscolare (allungamento ed ingrossamento della fibra muscolare).

• Il numero delle fibre muscolari è stabilito alla nascita; la crescita del muscolo avviene solo per aumento di dimensioni delle fibre preesistenti (grazie alla proliferazione di cellule satelliti).

• Le cellule satelliti si moltiplicano e poi si fondono con la fibra muscolare per aumentarne le dimensioni.

Sarcolemma

• Membrana plasmatica a doppio strato lipidico.

• Tubuli T (o tubuli trasversi): infiltrazioni del sarcolemma all’interno della fibra che permettono la propagazione del potenziale d’azione e l’attivazione dell’apparato contrattile.

• Sarcoplasma: citoplasma della fibra muscolare, contiene organelli subcellulari (mitocondri, nuclei, reticolo sarcoplasmatico), depositi energetici (glicogeno e trigliceridi muscolari), ATP e mioglobina.

• Miofibrille: componente più abbondante (contrattili).

  • 2000 miofibrille per fibra muscolare adulta (dipende dallo stato di allenamento).

  • Durante l’inattività si riduce il numero delle miofibrille e non quello delle fibre muscolari (una fibra persa non può essere recuperata, le miofibrille sì).

• Sarcomeri: unità contrattili disposte in catena.

• Miofibrille: lunghe quanto la fibra muscolare, contengono le proteine contrattili (85% del contenuto proteico totale):

  • Actina (filamenti sottili).

  • Miosina (filamenti spessi).

• Sarcomeri: filamenti sottili e spessi disposti parallelamente; i filamenti spessi ruotano e avanzano sui filamenti sottili (come una vite) determinando la contrazione (processo che richiede ATP).

Filamento spesso

• Formato da circa 300 molecole di miosina.

• Molecola di miosina: 2 mazze da golf attorcigliate tra loro.

• Stabilizzate tra loro lungo l’asse longitudinale del filamento dalla proteina titina.

• Coda di miosina (asta della mazza da golf) orientata verso il centro del sarcomero (linea M).

• Teste di miosina si proiettano verso l’esterno (linea Z), seguendo un andamento a spirale e sporgendosi verso 1 dei 6 filamenti sottili che circondano ogni singolo filamento spesso.

• La molecola di miosina è formata da 6 proteine:

  • 2 catene pesanti della miosina (MHCs) formate da una coda ad α-elica e da una testa globulare (attività ATPasica, legame con l’actina).

  • 4 catene leggere della miosina (MLCs).

Filamento sottile

• Formato da actina (polimeri ad elica).

• Actina: dominio di legame con la miosina (coperto dalla tropomiosina nel muscolo rilassato).

• troponina

Reticolo sarcoplasmatico

• Rete di canali membranosi che circonda la miofibrilla come una guaina.

• Deposito per gli ioni Ca2+ (molecola che innesca la contrazione, interruttore molecolare).

• La contrazione muscolare viene innescata dall’uscita del Ca2+ dal reticolo sarcoplasmatico che arriva nel sarcoplasma dove si trovano le miofibrille.

• Il Ca2+ si lega alla troponina C che cambia struttura e sposta la tropomiosina scoprendo il sito di legame della miosina presente sull’actina → la testa di miosina si attacca al filamento sottile innescando la contrazione muscolare.

• La contrazione termina quando il Ca2+ viene rimosso dal sarcoplasma e viene riportato all’interno del reticolo sarcoplasmatico.

• La pompa Ca-ATPasi del reticolo sarcoplasmatico (SERCA) riporta gli ioni Ca2+ nelle cisterne del reticolo sarcoplasmatico.

• L’assenza di Ca2+ rimodella la struttura della troponina C e la tropomiosina torna a nascondere il sito per la miosina sul filamento sottile.

La contrazione muscolare richiede 4 attività funzionali coordinate e compartimentalizzate

1. Eccitazione della membrana.

2. Accoppiamento eccitazione/contrazione.

3. Contrazione.

4. Ripristino delle molecole energetiche.

Propagazione dell’impulso contrattile

• La contrazione muscolare volontaria comincia con un impulso nervoso che parte dalla corteccia motoria del cervello e si propaga lungo il midollo spinale fino al motoneurone α.

• I motoneuroni α: cellule nervose poste nel midollo spinale con assoni filiformi che si estendono fino ai gruppi di fibre muscolari e innervano il muscolo senza prendere contatto diretto con esso (fessura sinaptica).

• L’impulso nervoso causa il rilascio dell’acetilcolina nella fessura sinaptica.

• L’acetilcolina si lega al recettore dell’acetilcolina presente sul sarcolemma (placca motrice).

• Trasformazione del recettore in un canale ionico aperto → flusso di ioni Na+ nella fibra muscolare (depolarizzazione della membrana plasmatica) → potenziale d’azione muscolare.

• Il potenziale d’azione si propaga rapidamente lungo il sarcolemma ed arriva in profondità nel muscolo grazie ai tubuli T e attiva il meccanismo della contrazione in tutte le miofibrille.

• L’acetilcolinesterasi degrada rapidamente l’acetilcolina disinnescando la depolarizzazione.

• Per innescare una nuova contrazione è necessario un nuovo stimolo dalla corteccia motoria cerebrale.

• Il potenziale d’azione nei tubuli T causa un cambiamento conformazionale del recettore della diidropiridina (DHP, canale voltaggio-dipendente).

• Questo induce l’apertura dei recettori della rianodina (RyR, canali per il Ca2+) sulla membrana del reticolo sarcoplasmatico.

• Il Ca2+ esce secondo gradiente elettrochimico (da 10 mM a 1 μM) attraverso i canali della rianodina aperti ed arriva nel sarcoplasma dove stimola la contrazione del sarcomero (meccanismo di scorrimento dei filamenti).

• Finito il potenziale d’azione i canali del Ca2+ si richiudono e il Ca2+ ritorna nel reticolo sarcoplasmatico grazie all’azione della pompa Ca-ATPasi del reticolo sarcoplasmatico (SERCA).

• La contrazione muscolare coinvolge il legame delle teste di miosina ai filamenti di actina. Lo scatto della testa della miosina determina lo scorrimento dei filamenti spessi e sottili uno sull’altro → la lunghezza del sarcomero si riduce e le fibre muscolari si contraggono.

• Nel muscolo a riposo la miosina non può legarsi all’actina perché la tropomiosina nasconde i siti di legame per la miosina; la tropomiosina è mantenuta in questa posizione da 3 troponine, una delle quali è la troponina C.

• Nel muscolo in attività il Ca2+ rilasciato nel sarcoplasma si lega alla troponina C, ne altera la struttura spostando la tropomiosina dal sito di legame per la miosina sul filamento di actina → ciclo di contrazione-rilassamento (4 fasi):

  0. Con l’arrivo del Ca2+ la miosina (forma ad angolo) si attacca all’actina.

  1. L’ATP si lega alla miosina (solo quando la miosina è legata all’actina può legare ATP), la quale si stacca dall’actina.

  2. L’enzima miosina-ATPasi idrolizza l’ATP legato alla miosina (in ADP e fosfato inorganico che rimangono legati alla testa di miosina impedendo il ritorno alla forma ad angolo), la quale si proietta in avanti (forma distesa).

  3. La miosina si attacca sull’actina e il fosfato inorganico si stacca, permettendo alla testa di miosina di inclinarsi e tornare alla forma ad angolo (sviluppo di forza), che tira i filamenti di actina verso il centro del sarcomero causando lo scorrimento dei filamenti spessi e sottili.

  4. Distacco della miosina dall’actina - alla fine dell’evento di sviluppo di forza, la miosina rilascia l’ADP e rimane legata all’actina fino a che una nuova molecola di ATP si lega alla miosina e un nuovo ciclo di contrazione può iniziare (da 1).

• Le teste della miosina «camminano» sui filamenti sottili (come il tiro alla fune).

Eterogeneità del muscolo

• Il muscolo scheletrico è eterogeneo, formato da più tipi di fibre muscolari: rosse (lente - ossidative) e bianche (rapide - glicolitiche).

• La prevalenza di un tipo di fibra o dell’altro varia a seconda del tipo di esercizio svolto.

• Ogni fibra possiede la sua isoforma MHC (catena pesante della miosina) caratterizzata da
  prelievi bioptici su volontari.

• Se analizzo un intero fascio muscolare sono presenti 3 isoforme MHC: MHC 2X, MHC 2A e MHC
  1.

• Se analizzo una singola fibra muscolare è presente un solo tipo di isoforma MHC.

MF = tessuto muscolare multi-fibra
SF = singola fibra

• Il tipo di MHC presente all’interno della fibra caratterizza la capacità contrattile e dipende dal neurone che la innerva.

• Le differenze amminoacidiche nelle diverse isoforme di MHC riguardano: la regione COOH- terminale, la regione a α-elica del collo, la regione della testa della miosina.

• INNERVAZIONE DELLE FIBRE MUSCOLARI

Il tipo di innervazione stabilisce il destino della fibra muscolare:

• Le fibre lente sono innervate dal motoneurone di tipo I

• Le fibre rapide sono innervate dal motoneurone di tipo II

• Il motoneurone stabilisce se la fibra innervata sarà di tipo lento o veloce (esperimenti di innervazione crociata).

• Gli esperimenti di innervazione crociata (nei quali si scambia l’innervazione delle fibre diverse) hanno dimostrato che la fibra muscolare lenta si può convertire a veloce o viceversa in funzione del motoneurone che la stimola.

• Questi studi hanno quindi chiarito che è il tipo di nervo a determinare la tipologia della fibra.

• Ogni fibra muscolare esprime un solo tipo di isoforma MHC (da cui dipende la proprietà contrattile della fibra).

• Le fibre innervate dal motoneurone 1 esprimono la MHC 1, mentre le fibre innervate dal motoneurone 2 possono esprimere 1 dei 2 differenti tipi di MHC 2: MHC 2A oppure MHC 2X.

• Le fibre hanno differenti proprietà contrattili:
  a) La fibra di tipo 1 è in grado di sollevare un peso massimo di 2-3 g. La contrazione sotto stimolazione, riesce ad avvenire anche dopo 60 min di stimolazione, perciò è una fibra in grado di sollevare il peso senza affaticarsi. Inoltre è definita lenta perché il motoneurone di tipo 1 ha delle scariche lente.
  b) La fibra di tipo 2X è in grado di sollevare un peso di 50-100 g. È definita rapida perché è in grado di effettuare molte contrazioni in minor unità di tempo, dopo circa 1 min è già affaticata e la sua prestazione cala.
  c) La fibra di tipo 2 ha caratteristiche intermedie tra le 2 fibre precedenti. È in grado di sollevare un peso massimo di 10-20 g ed è in grado di sollevare il peso per 4-6 min. Questa fibra si definisce rapida e non affaticabile nonostante sia innevata dallo stesso motoneurone dalla fibra 2X e questa differenza è dovuta al diverso metabolismo presente all’interno di essa.

• Il recupero energetico dipende dallo specifico metabolismo attivo nella fibra muscolare.

FIBRE DI TIPO 1

• Contengono l’isoforma lenta della miosina-ATPasi.

• Idrolizzano l’ATP a velocità lenta → contrazioni a frequenza minore e forza massimale prodotta piccola.

• Diametro piccolo (sopportano piccoli carichi).

• Produzione di ATP da metabolismo ossidativo (ossidazione completa di carboidrati e grassi, necessitano di O2).

• Sono rosse: presenza di mioglobina e capillarizzazione.

• Grandi quantità di mitocondri: produzione aerobica di ATP per lunghi periodi.

• Resistenti alla fatica.

• Attive durante gli esercizi di resistenza.

FIBRE DI TIPO 2X

• Contengono l’isoforma veloce della miosina-ATPasi.

• Idrolizzano l’ATP a velocità elevata → contrazioni ad elevata frequenza e forza massimale elevata.

• Produzione di ATP da metabolismo anaerobico (fosfocreatina e glicolisi).

• Pochi mitocondri (quasi privi di creste).

• Colore bianco (prive di mioglobina).

• Ricche di depositi di glicogeno.

• Poco resistenti alla fatica.

• Attive durante gli esercizi che richiedono la massima velocità di produzione di forza.

• Ipertrofiche durante allenamenti intensi (aumenta il numero di miofibrille in seguito all’attivazione delle cellule satellite).

FIBRE DI TIPO 2A

• Contengono l’isoforma a velocità intermedia della miosina-ATPasi.

• Produzione di ATP da metabolismo aerobico e anaerobico.

• Colore rosso pallido: contengono mioglobina.

• Moderatamente resistenti alla fatica: contengono mitocondri (ma in quantità minore rispetto alle fibre di tipo 1).

• Comportamento ibrido: producono una forza maggiore di quella generata dalle fibre di tipo 1, ma sono meno veloci delle fibre 2X.

• Particolarmente utili durante le attività muscolari ad alta intensità svolte in condizioni di massima capacità aerobica.

• Plasticità: le fibre 2X possono trasformarsi in fibre di tipo 2A e viceversa (perdita/accensione dell’espressione di MHC 2X/2A) a seconda dell’allenamento.

• I nostri muscoli contengono tutti e tre i tipi di fibre in distribuzione variabile a seconda:

  • Funzione da loro svolta.

  • Stato di allenamento.

  • Genetica individuale.

• Atleti di resistenza: maggiore percentuale di fibre di tipo I.

• Atleti di potenza/velocità: maggiore percentuale di fibre di tipo II (anche ipertrofiche).

Allenamento e plasticità muscolare

Allenamento

• Trasforma il muscolo:

  • Iperplasia: aumento del numero