Lezione 10: Muscolatura striata scheletrica e sistema nervoso

Eterogeneità delle cellule muscolari striate scheletriche

Il tessuto muscolare striato scheletrico non è un argomento che abbiamo terminato se non parliamo di un altro aspetto delle cellule muscolari striate scheletriche relativo all'eterogeneità di esse. Infatti pur mantenendo la stessa organizzazione a livello cellulare, quindi la presenza di miofibrille, di miofilamenti organizzati, la presenza di un reticolo sarcoplasmatico, più nuclei e quant'altro. Dal punto di vista della loro attività muscolare le fibrocellule striate scheletriche si dividono in tre gruppi:

• Fibre a contrazione lenta o tonica (dette rosse o di tipo I)
• Fibre a contrazione rapida o clonica (dette bianche o di tipo II)
• Fibre intermedie

Quindi abbiamo fondamentalmente muscolatura rossa e muscolatura bianca. Ogni anno io cito il CASO DEL POLLO. Il pollo si fa delle bellissime corse quando qualcuno cerca di rincorrerlo (fibre rosse) però nel momento di spiccare il volo, in realtà fa solo un grande salto (fibre bianche), ma non riesce a volare. Le fibre muscolari a contrazione lenta o tonica sono delle fibre muscolari che sono in grado di sostenere per lungo tempo l'attività contrattile, quindi di non andare incontro a quello che si chiama affaticamento in maniera rapida. Vedremo qual è il motivo cellulare di tutto questo. Questo fa riferimento alla muscolatura della coscia del pollo, che può correre senza andare incontro ad affaticamento; mentre le fibre muscolari a contrazione rapida o clonica sono quelle fibre muscolari la cui attività di contrazione è quella dello "sprint", cioè sono molto più veloci delle fibre rosse, ma si affaticano prima per cui non sono in grado di mantenere la contrazione muscolare per un tempo prolungato.

Oltre che nel pollo, anche negli individui umani esistono queste tipologie di fibre. Un intero muscolo non contiene fibre solo di tipo rosso o solo di tipo bianco, ma ne conterrà una percentuale dell'una e dell'altra. Ovviamente a seconda del tipo di fibra preponderante, il muscolo sarà più propenso o a sostenere una contrazione lenta ma prolungata, o una rapida e breve. Esistono anche le fibre intermedie, che sono a metà strada fra le fibre di tipo I e le fibre di tipo Il dal punto di vista funzionale, anche se non è ancora chiaro il motivo di ciò.

Metabolismo delle fibre muscolari

In pratica le fibre a contrazione lenta sono fibre che utilizzano, per l'approvvigionamento di ATP, il metabolismo aerobio, quindi sono molto ricche di mitocondri e possiedono molta mioglobina, che è la proteina muscolare che fissa l'ossigeno, come l'emoglobina nel sangue. Questo è il motivo per cui esse appaiono più colorate come fibre rosse, ma un secondo motivo è che, le fibre muscolari di tipo rosso sono più riccamente irrorate dai vasi sanguigni. Queste fibre muscolari a contrazione tonica utilizzando il metabolismo aerobio hanno una resa di ATP notevole e quindi sono in grado di mantenere per più tempo l'attività contrattile.

Di contro le fibre muscolari rapide hanno pochi mitocondri, poca mioglobina e utilizzano, per l'approvvigionamento di ATP, il metabolismo anaerobio, cioè la glicolisi citoplasmatica, questo fa sì che per ogni molecola di glucosio si producano due molecole di ATP (mentre si arriva a 38-40 molecole di ATP nel metabolismo aerobio) per cui sono molto più affaticabili perché hanno una riserva energetica molto minore, possiedono molto più glicogeno (che poi viene scisso in glucosio e utilizzato nella glicolisi).

Identificazione e caratteristiche delle fibre muscolari

Questi due tipi di fibre muscolari possono essere messe in evidenza all'interno di una sezione attraverso deicoloranti che colorano diversi enzimi, come la succinato deidrogenasi (enzima che si trova nella matrice dei mitocondri) nel caso a sinistra e l'ATPasi (o FOF1) a destra, quindi le cellule che si coloreranno tramite la reazione colorimetrica saranno quelle che presentano l'uno o l'altro enzima che sono entrambi marcatori delle fibre muscolari di tipo I (rosse) perché sono entrambi enzimi mitocondriali. Allora che cosa vediamo? Vediamo che all'interno di un tessuto in cui ci sono tante cellule striate, troviamo cellule che si colorano di più, cellule che non si colorano e cellule che si colorano in maniera intermedia.

succinato deidrogenasi AT Pasi An An I C An

• fibre muscolari "a contrazione lenta o tonica" (rosse, di tipo I) metabolismo aerobio, molti mitocondri. molta mioglobina, ricca irrorazione, maggiore concentrazione di Ca++ citoplasmatico
• fibre muscolari "a contrazione rapida o clonica" (bianche, di tipo II) metabolismo anaerobio, pochi mitocondri e mioglobina, molto glicogeno ed enzimi glicol tici (sonotipi 2A, 2B, 2X)
• fibre intermedie (sottotipo 2A)
• presenza di isoforme diverse di proteine contrattili
• dipendenza dal tipo di nervo motore (stimolazione - livelli di Ca-+) e dall'esercizio muscolare

IMMAGINE: nell'immagine a sinistra, si tratta di fibre prevalentemente rosse; in quella di destra si tratta di fibre prevalentemente bianche in quanto risultano preponderanti.

Come possiamo vedere in un tessuto muscolare c'è una commistione di cellule di tipo I, di tipo II e intermedie come vediamo dalla diversa colorabilità che testimonia la poca presenza o assenza di enzimi mitocondriali. Queste fibre muscolari presentano delle varianti, delle isoforme, per quasi tutto quello che è coinvolto nella contrazione muscolare, per cui le fibre rosse avranno un'actina tipica delle fibre muscolari rosse, una miosina, una troponina, una tropomiosina e così altre componenti, che saranno diverse dalle componenti delle fibre bianche (eterogeneità fenotipica delle fibre legata alla presenza di isoforme diverse delle proteine contrattili). Questo significa che alla base di queste differenze vi è una differente espressione di geni.

Esperimento sul differenziamento delle fibre muscolari

Esperimento! Storicamente i ricercatori davanti ad un'evidenza del genere si posero un quesito: poiché le fibre muscolari rosse sono innervate da neuroni tipici di fibre a contrazione lenta e le fibre muscolari bianche sono innervate da neuroni tipici di fibre a contrazione rapida, i ricercatori si sono posti questa domanda: le fibre muscolari sono già predestinate a diventare rosse o bianche? Oppure è la connessione nervosa a dirigere qualedeve essere il differenziamento? Per scoprirlo fecero un esperimento: presero del tessuto muscolare, dove erano presenti sia fibre bianche sia rosse con le rispettive innervazioni; staccarono sperimentalmente le innervazioni e le scambiarono, cioè alle cellule rosse fecero (artificialmente) fare sinapsi con le fibre nervose delle fibre bianche e viceversa, per osservare ciò che succedeva. Ciò che constatarono è che le fibre sottoposte all'esperimento perdevano le caratteristiche del fenotipo iniziale e acquisivano un nuovo fenotipo: se erano fibre rosse diventavano bianche e viceversa. Arrivarono così alla conclusione che la fibra muscolare di per se' non era predestinata a diventare di un tipo o di un altro, infatti la determinazione del fenotipo della fibra muscolare dipende dal tipo di innervazione ad esse associata, tramite sinapsi, ma anche dall'esercizio muscolare (riesce a dirigere il differenziamento perché come abbiamo visto le cellule muscolari scheletriche hanno dei meccanocettori di attività tensoria, quindi riescono a rispondere alla presenza o meno di un esercizio fisico).

Ruolo del calcio citoplasmatico nel differenziamento

Nell'ultima edizione del Monesi è venuto fuori il motivo per cui il differenziamento delle fibre dipenda dal tipo di nervo motore a cui sono adese per sinapsi. La risposta è relativa alle differenti concentrazioni di calcio citoplasmatico all'interno delle cellule muscolari. (Il calcio citoplasmatico è quasi sempre il responsabile di tutti gli eventi biologici). In particolare l'IMMAGINE ci mostra in che modo, dal punto di vista molecolare, il nervo induca il differenziamento della fibra muscolare che innerva. Tutto sta nell'aumento del livello di calcio, cioè la stimolazione nervosa, indotta da un neurone, legato ad una fibra rossa (di tipo lento), induce un aumento della concentrazione di calcio intracellulare maggiore di quella che viene indotta dalle fibre nervose che solitamente fanno sinapsi con fibrocellule muscolari bianche (di tipo veloce). L'aumento del calcio citoplasmatico va ad attivare una fosfatasi (enzima) che si chiama calcineurina. La calcineurina va a defosforilare un fattore di trascrizione che si chiama NFAT , il quale finché è fosforilato non può attraversare i pori nucleari perché viene mascherato il segnale di importazione, appena viene defosforilato, espone la sua sequenza segnale di localizzazione nucleare (NLS), che viene riconosciuta dalle importine e quindi può essere importato all'interno del nucleo. NFAT migra insieme ad altri cofattori come MEF2 (fattore trascrizionale muscolare anch'esso attivato dalla calcineurina) e va a stimolare la trascrizione legandosi ai promotori di geni tipici del fenotipo delle fibre rosse (lente).

Stimolo nervášõ Membrana plasmatica] - attivazione della fosfatasi calcineurina Citoplasma Ca2 - defosforilazione del fattore di trascrizione NFAT e attivazione di MEF2 Calcineurina -migrazione di NFAT nel nucleo PINFAT PGC1Y NFAT HDAC)-MEF2 Trascrizione di geni delle Vin fibre lente -aumento del livello di Ca++ -attivazione trascrizionale dei geni del fenotipo lento con cooperazione di altri fattori

TESSUTO MUSCOLARE LISCIO

Il muscolo liscio è il muscolo dei visceri, il muscolo che ricopre la parete dei vasi e degli organi interni ed è un muscolo che non è innervato da un sistema nervoso somatico (volontario), ma è innervato dal sistema nervoso vegetativo autonomo, quindi la nostra volontà può molto poco nei confronti della contrazione o del rilassamento dei muscoli lisci.

Caratteristiche del muscolo liscio

Il muscolo liscio

• le cellule non presentano né strutture né sistema di tubuli T
• sono specializzate in contrazioni continue, relativamente deboli che impegnano la contrazione dell'intera massa muscolare
• la contrattilità è sotto controllo ormonale, del s. n. autonomo e di metaboliti locali.

singolo nucleo Ever -aspetto fusiforme -lamina esterna connettivale -corpi densi citoplasmatici (equivalenti alla linea Z)

Le cellule del muscolo liscio si presentano come a sinistra nella fotografia, degli elementi molto simili a dei fibroblasti allungati, con uno o al massimo due nuclei centrali. Questa è la prima grande differenza tra striato e liscio perché abbiamo detto che il tessuto muscolare scheletrico è un sincizio plurinucleato con tutti i nuclei spostati in periferia dalle miofibrille, per cui se siamo in presenza di una sezione di un tessuto muscolare, dobbiamo andare a vedere il numero e la disposizione dei nuclei per vedere se si tratta di un tess muscolare liscio, striato o cardiaco. Inoltre queste cellule sono dette lisce perché non presentano la tipica bandeggiatura (delle bande A e delle bande I e delle sottobande di cui abbiamo parlato) visibile nel tess muscolare striato al microscopio sia ottico, sa elettronico. Questo non vuol dire che non siano presenti actina e miosina (sarebbe assurdo), ma che sono organizzati con una struttura diversa da quella ordinata e ripetitiva. Per cui la colorazione di queste cellule dà un'omogenea colorazione in rosso in cui non appaiono bande perché non c'è la ripetitività dell'organizzazione dei sarcomeri. L'immagine a destra ci fa vedere: in rosso le cellule muscolari lisce; in blu il connettivo e le sue cellule, quindi anche nel tessuto muscolare liscio c'è una commistione tra parte muscolare e parte connettivale, che permette al muscolare di essere innervato e irrorato. La cellula muscolare liscia non presenta nemmeno un sistema di tubuli T che abbiamo visto essere, insieme alle cisterne terminali, il sistema che recepiva l'impulso nervoso (la depolarizzazione) trasmettendo alle cisterne terminali, facendo aprire le cisterne e il calcio fuoriusciva da esse e iniziava il momento della contrazione. Quindi ci sarà un'altra modalità di contrazione dal punto di vista molecolare. La contrattilità del muscolo liscio è sotto il controllo del sistema nervoso autonomo, ma anche del controllo ormonale e anche di metaboliti locali, cioè di fattori paracrini.