Contrazione Muscolare E Metabolismo Del Muscolo

Tessuto Muscolare • Nei vertebrati il tessuto muscolare si distingue in:  tessuto muscolare scheletrico  tessuto cardiaco  tessuto muscolare liscio Le cellule del tessuto muscolare scheletrico sono di forma allungata costituite da numerosi nuclei, hanno lunghezza variabile da 1 a 40 mm, sono dette fibre muscolari. BSU - 1

• Nel muscolo cardiaco le cellule dette cardiomiociti, sono più piccole (100-120 µm) mononucleate, connesse con dischi intercalari • I miociti del muscolo liscio sono cellule fusiformi mononucleate di lunghezza dai 20 ai 100µm.

BSU - 2

Caratteristiche chimiche del tessuto muscolare Muc. Sch.

• Acqua

72-75 %

Mus. Card

Mus. Lis

73-79

72-75

• Proteine Totali

20 %

20%

20%

• Lipidi

7%

8%

8%

• Creatina + fosfocreatina

0,27 – 0,58 %

• ATP

0,03 – 0,06 %

• Glicogeno

1,0 – 2,0 %

•Sali inorganici:

1,0 – 1,5%

Sodio

0,07%

Potassio

0,39%

Calcio

0,006%

Magnesio

0,02%

0,1 - 0,25%

0,3 – 0,4%

0,02 – 0,08 %

0,01 – 0,05 %

1,0 – 1,5%

0,3 – 0,8%

0,17%

0,11%

0,35% 0,01% 0,024%

0,15% 0,006% BSU - 3

0,011%

1 – 2 µm

BSU - 4

Miofilamenti

Sarcomero

Contatto con i pompe degli ioni

Fibra muscolare (Membrana plasmatica) BSU - 5

Miosina

Actina F

BSU - 6

15 %

Titina Desmina Nebulina BSU - 7

MIOSINA

distanti 14,3 nm

Un filamento è fatto da 400 molecole

Linea Mediana o M è priva di “teste”

Le catene sono unite coda contro coda BSU - 8

Molecola di Miosina

Peso molecolare: 200.000

BSU - 9

1950 aa

850 aa

si lega l’ATP

BSU - 10

Formazione complesso miosina-ATP

1. miosina + ATP

miosina-ATP

2. miosina-ATP + H2O

miosina(energ)-ADP + Pi

3. miosina(energ)-ADP + Pi

miosina-ADP+ Pi + energia

4. miosina-ADP + Pi

miosina + ADP + Pi

* *solo dopo aver interagito con actina BSU - 11

nATP

nADP -P nADP -P

BSU - 12

Filamenti di actina in doppia elica costituiti da monomeri di actina globulare

(Actina G)

(Actina F)

BSU - 13

Actina G PM = 46.000

BSU - 14

Conversione actina G in actina F •

n(actina G) + nATP + nCa++

n(actina G-ATP-Ca++)

actina F + (ADP)n +nCa++ + nPi

BSU - 15

Tropomiosina • E’ una proteina di peso molecolare di 68.000 KDa a forma di bastoncello costituito da due catene alfa e beta avvolte tra loro ad alfa elica • I filamenti di tropomiosina sono alloggiati in solchi formati da due sequenze di F actina. BSU - 16

BSU - 17

BSU - 18

Proteine Strutturali ∀ α actinina • β actinina • Desmina

formano la linea Z

• Proteina Linea M • Nebulina • Titina • Connettina

Actina

fissano la miosina

uniscono due linee Z

BSU - 19

BSU - 20

BSU - 21

BSU - 22

BSU - 23

Ca 2+

BSU - 24

Forma non attivata (senza ATP) nATP

nADP -P nADP -P

Forma attivata con ATP BSU - 25

BSU - 26

BSU - 27

BSU - 28

BSU - 29

• L’organismo umano svolge in qualunque momento delle attività fondamentali, anche a riposo, che comportano una spesa energetica che viene compensata dall’introduzione degli alimenti BSU - 30

Lavoro fisico • Se alle normali attività funzionali si aggiunge un’attività fisica, le necessità energetiche aumentano e pertanto devono essere compensate con l’aggiunta di una quota superiore di alimenti BSU - 31

Attività muscolare • Ogni attività muscolare è caratterizzata da una particolare spinta energetica. • Si possono suddividere le attività muscolari in base al dispendio calorico in: • Attività leggere • Attività moderate • Attività pesanti • Attività molto pesanti BSU - 32

• Si tratta di prestazioni che possono avere un differente consumo energetico a seconda del tempo della prestazione e dell’intensità. • L’organismo dovrà pertanto avere a disposizione energia che gli consenta di svolgere sia esercizi di breve che di elevata durata. • Quali sono le riserve energetiche dell’organismo? BSU - 33

BSU - 34

Quesiti • Ma come fanno i muscoli ad utilizzare questi substrati? • Vengono utilizzati indifferentemente dalla prestazione? • Qual’é il ruolo svolto da questi substrati nella prestazione?

BSU - 35

Fasce di lavoro muscolare • E’ possibile caratterizzare l’attività muscolare da una particolare spinta energetica in base al tipo di metabolismo • Si può pertanto suddividere il lavoro muscolare in tre fasce di attività: • • •

Prevalentemente anaerobiche Prevalentemente aerobiche Prevalentemente anaerobiche/aerobiche alternate BSU - 36

BSU - 37

Tipologia delle fibre muscolari • Ogni attività fisica richiede un dispendio energetico particolare con un costo calorico differente • Questa differente capacità è legata alla tipologia muscolare

BSU - 38

BSU - 39

Bianche

Intermedie

Rosse

BSU - 40

Rosse

Bianche

BSU - 41

Fibre Bianche

Fibre Rosse

Substrati utilizzati

Glucosio

Glucosio e Acidi Grassi

Prodotti terminali del metabolismo

Acido lattico

CO2 + H2O

Attività ATP-asi della Miosina

Elevata

Bassa

Mitocondri Dipendenza O2 per energia

Rari Minima

Numerosi elevata

Intensità Via glicolitica

Elevata

Scarsa

Depositi di fosfocreatina

Notevoli

Minimi BSU - 42

L’esercizio anaerobico • Il muscolo a riposo contiene:  Glicogeno Creatin – Fosfato ATP (molto poco) BSU - 43

Chi fornisce inizialmente energia per la contrazione Muscolare? • Il substrato energetico è l’ATP, ma la quantità libera disponibile nel muscolo è poca e si esaurisce in poco tempo! (1-2 sec). • Invece abbondante è la: FOSFOCREATINA

BSU - 44

4,6 28,2

6,1 volte

BSU - 45

Metionina + ATP 3

Fosfo creatina + ADP

Pi + SAM

ATP +

BSU - 46

Formazione ATP CPK

ADP + Fosfocreatina

Creatina + ATP Mg2+

L’enzima è contenuto nel sarcoplasma. La costante di equilibrio è vicina a 1, per cui è molto sensibile a piccole variazioni della concentrazione dei reagenti: sicché al diminuire di ATP la reazione si sposta da sinistra a destra BSU - 47

• La Creatina – cinasi (CK) catalizza una reazione di trasferimento di un P sull’ADP con liberazione di energia paria a 11.000 Kcal/mole • L’enzima è formata da due subunità (la M e la B) e può dare origine a tre isoenzimi:  CK – MM (presente nel muscolo Sch.)  CK – MB (presente nel miocardio)  CK – BB (presente nel cervello e nei muscoli lisci) BSU - 48

La contrazione muscolare consuma ATP l’equilibrio si sposta a sinistra

CPK

Il riposo produce ATP l’equilibrio si sposta a destra

BSU - 49

4,6 28,2 88,0 1,1 7,1

BSU - 50

Quali substrati producono ATP? • Nel Processo anaerobico: • Alattacido

Fosfocreatina

• Lattacido

Glicogeno

BSU - 51

Inizio esercizio Lo stimolo nervoso a livello della placca neuro-muscolare determina l’inizio della contrazione:  il muscolo comincia a contrarsi e utilizza ATP (quello già disponibile) ha la durata 12 sec  Serve altro ATP, da dove proviene?  Dalle riserve di fosfocreatina (per altri 5-7 sec)  e POI? BSU - 52

Glicogenolisi e Glicolisi

Fosfocreatina e ATP

5 – 6 sec

tempo BSU - 53

Ca2+

Attiva la glicogeno lisi

BSU - 54

Stimolo ormonale Stimolo nervoso

Ca2+

BSU - 55

2

4 ADP 4 ATP

Ca2+

Ca2+

2

BSU - 56

Surrene

Stress

Ca 2+

BSU - 57

2

4 ADP 4 ATP

2

BSU - 58

BSU - 59

Lo stimolo nervoso aumenta la concentrazione di Calcio intracellulare di circa 100 volte attivando la fosforilasi cinasi e inibendo la glicogeno sintetasi

BSU - 60

Glicolisi Fosforilasi a

Anaerobica Consumo

1 ATP

Produzione

4 ATP

Netto

=

3 ATP

2ATP 2ADP

BSU - 61

Resa glicolisi • La glicolisi anaerobica è molto meno produttiva di quella aerobica: • 3 ATP/mole di Glucosio (Glicogeno) • contro quella aerobica il cui contributo è di: • 38 ATP/mole di glucosio(Glicogeno) • come può sostenere le esigenze del muscolo in contrazione? BSU - 62

Glicolisi anaerobica • Può aumentare il quantitativo di ATP aumentando la velocità del processo, ovvero la glicolisi anaerobica è dotata di una “portata” più elevata. • La glicolisi anaerobica è suscettibile di una accelerazione istantanea che consente in pochissimi secondi un aumento del flusso da: • 1 a 1000 volte BSU - 63

• La glicolisi aumenta la portata: 1 1000 volte + veloce  vuol dire che più glicogeno viene demolito  più glucosio sarà disponibile E’ necessario quindi che la glicolisi accolga tutto il glucosio 6P prodotto Può farlo? BSU - 64

Glicogeno

Glu -1P

Glu -6P

E’ un’enzima allosterico

Frut - 6P PFK1

Frut -1-6P

+ ATP

Ac Lattico

Ac Piruvico

BSU - 65

• La PFK1 è un enzima allosterico controllato da:  ATP, Acido Citrico e H+ (effettori negativi) ovvero diminuisco l’affinità dell’enzima, l’enzima lavora meno  AMP (effettore positivo) ovvero aumenta l’affinità dell’enzima, l’enzima lavora di più BSU - 66

• E’ necessario pertanto che la PFK1 lavori al massimo, in quanto è disponibile molto fruttosio 6P, perciò per lavorare di più

dovrà esserci dell’AMP da dove deriva? Nel muscolo scheletrico c’è un enzima denominato miochinasi che è in grado di: BSU - 67

catalizzare una reazione di emergenza, soprattutto in condizioni anaerobiche, in cui un fosfato viene trasferito da una molecola di ADP ad un’altra: ADP + ADP Ad - Rib - P – P

+

ATP + AMP

Ad - Rib - P – P - P

BSU - 68

+ AMP

BSU - 69

Disponibilità di glicogeno • Per questo tipo di attività è importante che ci siano disponibili grandi quantità di glicogeno! • Il senso di affaticamento che sopraggiunge in tempi piuttosto brevi nell’esercizio anaerobico si può attribuire: • alla deplezione del glicogeno • alla diminuzione del pH • alla perdita di fosfocreatina BSU - 70

•

Cosa succede all’acido lattico rilasciato dalle fibre bianche?

• Due possibilità: 1. Viene assorbito dalle fibre rosse che lo possono metabolizzare 2. Viene riversato nel sangue e portato al fegato, dove può essere convertito in glucosio BSU - 71

• Durante il riposo, la disponibilità di ATP e di glucosio (dal fegato) attraverso il Ciclo di Cori, vengono utilizzati per reintegrare le scorte di glicogeno: Fegato

Glucosio

Attraverso il ciclo di Cori

Glicogeno

Muscolo

Glu – 6P

Glu – 1P UTP

ATP

2P

APD

UDP - Glucosio BSU - 72

Quali processi metabolici producono ATP nel processo aerobico? • Processo aerobico • Glicogeno • Glucosio ematico • Acidi grassi • Corpi chetonici • Aminoacidi (proteine)

BSU - 73

L’esercizio aerobico • Quali substrati vengono coinvolti, durante le prime fasi iniziali del lavoro aerobico?  Glicogeno muscolare  Glucosio ematico  molto poco la fosfocreatina Il primo substrato ad essere mobilitato è il glicogeno muscolare! BSU - 74

Glicogeno

Stimolo nervoso = Calcio o Adrenalina

Glu -1P

BSU - 75

2° L’acido lattico prodotto dalle fibre bianche

BSU - 76

Produzione ATP • Le fibre rosse utilizzano oltre che il glucosio proveniente dal glicogeno muscolare anche in parte l’acido lattico che proviene dalle fibre bianche: Mitocondrio LDH Ac Lattico NAD+

Ac Piruvico Ac Piruvico NADH.H+

Acetil CoA

Krebs

CO2 BSU - 77

3° evento – Glucosio ematico Glucosio Ematico

6P

Glicogeno muscolare

Metabolismo aerobico nel muscolo scheletrico

38 ATP

BSU - 78

(%)

(%)

(%)

30 60 90 120 BSU - 79

Utilizzo lipidi • Con l’aumento dell’attività fisica aerobica, si è osservato un maggior coinvolgimento degli acidi grassi provenienti: • FFA – legati all’albumina presenti nel plasma • Acidi grassi provenienti da grassi del tessuto adiposo • Acidi grassi provenienti da grassi presenti nel muscolo scheletrico

BSU - 80

Disponibilità acidi grassi • Come mai si liberano gli acidi grassi dal tessuto adiposo? • Lo sforzo fisico si accompagna sempre con un maggior rilascio di adrenalina, dovuta allo stress fisico. • L’adrenalina stimola in maniera differente il fegato, il muscolo scheletrico e il tessuto adiposo su questo ultimo l’azione si può così sintetizzare:

BSU - 81

FFA-Albumina

Adrenalina

BSU - 82

Protein Cinasi A inattiva

Protein Cinasi A attiva

Lipasi ormone sensibile inattiva

P

Lipasi ormone sensibile attiva

BSU - 83

BSU - 84

Ciclo di Krebs CR = 2ATP

CR = 3 ATP

BSU - 85

β - ossidazione • Un acido grasso a 18 atomi di carbonio viene demolito in 8 giri a: • 9 acetil CoA • Da ogni distacco si liberano: • 1 NADH.H+ e 1 FADH2 = 5ATP • Si liberano pertanto: • 8 x 5 = 40 ATP BSU - 86

9 Acil CoA

9 x 12 = 108 + 40 = 148 - 1ATP = 147 12 ATP

BSU - 87

Situazione fegato • Anche il fegato è sotto l’effetto della adrenalina e pertanto: • demolisce il glicogeno epatico e trasferisce il glucosio nel sangue • converte l’acido lattico proveniente dal muscolo in glucosio (che poi rilascia nel sangue) • Che substrati utilizza come fonte energetica in questi momenti? BSU - 88

no og e

Glucosio

G

lic

Glucosio 6P

Ac Lattico

Ac. Piruvico

ATP Krebs PDH Acil CoA

Ac Piruvico

Oss alac e ta t o

+ Ac grassi Acil CoA

Citrato

Acetil CoA

ox β

Fegato BSU - 89

Eccesso di Acidi grassi β - Ox

Acetil CoA

= 1000 = 600 ?

= 1000

Ossalacetato

Citrato

= 400

Ac piruvico Glucosio

Ma poiché il glucosio esce dal fegato e pertanto molto poco diventa ac. Piruvico …..

Corpi Chetonici

Muscolo, Cuore, Cervello BSU - 90

FEGATO Acidi grassi

Acidi grassi

β- Ossidazione Acetil -CoA

Polmoni Muscolo

BSU - 91

• Corpi chetonici: • 3 Acetil - CoA NADH2

• Acetoacetato

NAD+

β idrossibutirrato

Muscolo scheletrico e cardiaco Cervello

Acetone

Sangue

Polmoni BSU - 92

Utilizzo proteine • Alcune proteine del corpo non sono prontamente disponibili, ma alcune muscolari ed alcune epatiche invece vengono prontamente catabolizzate, in particolare durante un esercizio di lunga durata • Pertanto anche le proteine possono essere utilizzate durante un esercizio aerobico. BSU - 93

Proteine • Esiste pertanto una regolazione a livello muscolare che spinge in alcune condizioni gli aminoacidi verso la sintesi ed in altre situazioni invece li indirizza verso il catabolismo. • Questi stimoli sono per lo più legati alla azione degli ormoni, in particolare del cortisolo, ormone prodotto dalla surrene BSU - 94

Circa un 80%

Circa un 20%

KREBS

BSU - 95

Eliminazione NH3 • Due meccanismi: • 1° Transaminazione Aa + Ac.Piruvico Alanina + α chetoacido NH 2

KREBS

BSU - 96

1° meccanismo

BSU - 97

2° meccanismo

Eliminazione NH3 Aa

α -chetoacido + NH3

• Formazione di glutammina NH3

• Ac glutammico

Glutammina ATP

ADP Fegato

Rene BSU - 98

Quota proteica • L’introduzione di proteine di origine animale risolve i problemi degli Aa essenziali, però gli alimenti contengono alte percentuali di grassi saturi e colesterolo. • L’introduzione di proteine di origine vegetale risolve il problema dei grassi saturi e del colesterolo, ma presenta il problema degli Aa essenziali. BSU - 99

Aa ramificati • Un discorso particolare meritano gli Aa ramificati (BCCA) (valina, leucina ed isoleucina) presenti in alta concentrazione nel muscolo scheletrico e cardiaco. • Il significato biologico e l’interesse scientifico è legato alla “incapacità” del fegato di metabolizzarli e pertanto essi vengono dirottati e catabolizzati dal muscolo BSU - 100

NH2

BCKA deidrogenasi

NH2

Aumenta l’attività con lo sforzo muscolare

BSU - 101