Lezione 16 La contrazione muscolare 05112019 091 FA

Lezione 16 La contrazione muscolare 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 0

Tre tipi di muscolo • Striato scheletrico – le proteine contrattili formano sarcomeri – le fibre sono multinucleate – controllate volontariamente • Striato cardiaco – le proteine contrattili formano sarcomeri – le fibre sono mono- o binucleate – le fibre sono collegate tra loro e si contraggono o rilassano sincronicamente – controllate automaticamente (involontariamente) • Liscio – le proteine contrattili NON formano sarcomeri – controllate automaticamente (involontariamente) 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 1

Schema della morfologia macroscopica dei tre tipi di muscolo 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 2

05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 3

Le funzioni del muscolo scheletrico • Locomozione • Termogenesi • Omeostasi glicemica e lipdica: – A digiuno: fornisce aminoacidi per la gluconeogenesi epatica – Dopo un pasto: ed è un sito importante di uptake e metabolismo del glucosio e dei trigliceridi • Impatto elevato sul metabolismo di tutto l’organismo – 40% della massa corporea – se perdita di massa muscolare (senilità, malattie critiche come la sepsi o traumi, cancro, AIDS), grande impatto sul metabolismo generale 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 4

Le funzioni del muscolo cardiaco • Contrazione muscolare e attività cardiaca 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 5

Le funzioni del muscolo liscio • Pareti delle arterie – regola la pressione sanguigna e quindi il flusso ematico • Intestino – peristalsi e spostamento del contenuto verso l’ano • Dotti interni (vie aeree, vie biliari, vie renali e urinarie, vie secretorie, vie genitali, ecc. ) – spostare tutti i prodotti di secrezione verso i rispettivi orifizi. 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 6

Contrazione muscolare ATPdipendente • Il lavoro muscolare è attuato dalle proteine contrattili actina e miosina • Il lavoro muscolare è la causa principale del consumo di ATP • Il consumo di ATP è alla base del “controllo respiratorio” (consumo di ossigeno) QUESTIONE CENTRALE DEL METABOLISMO 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 7

Le principali proteine del muscolo costituiscono 80% della massa proteica muscolare • MIOSINA (p. m. 520. 000 Da), – proteina motrice (motor protein) – POLIMERO di 6 sub-unità: • 2 catene pesanti (220 k. Da, ciascuna) • 4 catene leggere (20 k. Da, ciascuna) • ACTINA-F (p. m. 559. 000 Da) – proteina rotaia (track protein) – POLIMERO di 13 subunità • ACTINA-G, actina globulare (p. m. 42. 000 Da) 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 8

La miosina è una proteina fibrosa • Le 2 CATENE PESANTI formano un dimero fibroso – 2 α-eliche, super-avvolte (coiled coil) a formare una coda. – Le due estremità N-terminali 2 teste globulari • Le 2 CATENE LEGGERE si associano al collo di ciascuna catene pesanti (tra la testa e la coda) 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 9

05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 10

L’aggregazione della miosina in filamenti spessi • diverse catene di miosina si aggregano • l’aggregazione è codaverso-coda (tail-totail) 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 11

L’aggregazione della miosina 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 12

La testa della miosina ha due siti di legame per l’ATP e l’actina 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 13

ACTINA • L’actina-G aggrega e forma l’actina-F, un polimero che due eliche destrorse • Lega altre due proteine: tropomiosina e troponina 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 14

La polimerizzazione dell’actina 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 15

L’actina del filamento sottile lega la miosina La troponina del filamento sottile ++ lega il Ca 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 16

La testa della miosina si associa all’actina monomero 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 17

Il sarcomero è un complesso super-molecolare I filamenti sottili (actina F) e spessi (miosina aggregata) formano un super-complesso delimitato dal disco Z 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 18

Il sarcomero ha anche altre proteine strutturali giganti TITINA • 35. 213 amminoacidi; Massa (Da): 3. 906. 488 – terminale C alla linea M (centro del sarcomero) – associata alle fibre spesse del sarcomero – libera fino alla banda Z • Ha proprietà elastiche, utili per il rilassamento del sarcomero NEBULINA • 3. 007 amminoacidi; Massa (Da): 348. 968 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 19

Il sarcomero al microscopio elettronico A: rosetta esagonale vuota • solo actina F Ø zona laterale di banda I B: rosetta esagonale che circonda fibra spessa • actina e miosina interagiscono Ø zona laterale di banda A C: rosetta esagonale con centro di fibre spesse • solo miosina Ø zona laterale di banda H 05/11/2019 A B 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA C 20

Zona densa della BANDA A fascio di miosina (filamento spesso, verde), con teste sporgenti (“ponti”), circondato da actina-F (filamento sottile, rosso) a formare un esagono 05/11/2019 filamenti spessi “nudi” 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA emi-BANDA I filamenti sottili (rosso) a formare un esagono vuoto (no miosina) 21

22

Nella contrazione le fibre sottili sono trascinate verso il centro del sarcomero, che si accorcia Punto A = linea Z 05/11/2019 punto D = Linea M 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 23

La contrazione muscolare Teoria dello scivolamento del filamento sottile (Hugh Huxley & Jean Hanson, 1954) • La banda A rimane costante • La zona H diventa più densa • La banda I ha lunghezza variabile, fino a scomparire 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 24

Storia della scienza • When she [Jean Hanson] observed these myofibrils under a powerful microscope, she noticed different bands of tissue, which changed shape as the muscle contracted. • She took her findings to America, when in 1953, she accepted a Rockefeller Fellowship to work for a year in FO Schmitt's Laboratory at Boston's Massachusetts Institute of Technology. • During her time at the institute, she met and collaborated with Professor Hugh Huxley, whose work with x-rays revealed there were two sets of filaments in the muscle fibre, not one as had been previously been suggested. 05/11/2019 Jean Hanson and Hugh Huxley No Nobel Prize was ever awarded for the discovery 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 25

Il meccanismo molecolare della contrazione muscolare Lo scivolamento dell’actina dipende da Ca++ e ATP 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 26

L’accoppiamento elettro-meccanico nel muscolo scheletrico è mediato dal Ca++ 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 27

Il meccanismo molecolare dell’azione del Ca++ nella contrazione 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 28

La “zampata” della miosina 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 29

Il ruolo del Calcio nella contrazione muscolare 1. La proteina tropomiosina si lega alla miosina e impedisce la formazione del complesso acto-miosina 2. Quando il Ca++ si lega alla troponina C, il complesso della troponina C cambia conformazione 3. Anche la tropomiosina cambia conformazione e si espongono i siti di legame di actina per miosina 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 30

Il ruolo dell’ATP nella contrazione muscolare è descritto da 4 equazioni chimiche M, miosina M*, miosina allo stato di elevata energia A, actina (M-ATP) ⇌ (M * -ADP-Pi) Eqn. 1 (M * -ADP-Pi) + A ⇌ (M * -ADP-A) + Pi Eqn. 2 (M * -ADP-A) ⇌ (M-A) + ADP Eqn. 3 (MA) + ATP ⇌ (M-ATP) + A Eqn. 4 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 31

Le quattro fasi della contrazione muscolare 1. Prima della contrazione o muscolo rilassato – – 2. La risposta contrattile – – – 3. attivata dall’aumento di calcio intracellulare le teste della miosina, che legano ADP e Pi, interagiscono con l’actina vedi Eqn. 2 Il colpo di potenza – – – 4. actina e miosina non interagiscono vedi Eqn. 1 Pi e ADP si dissociano dalla testa della miosina che ora interagisce fortemente con l’actina La testa della miosina “vuota” ritorna alla conformazione a bassa affinità, ma trascina con sè l’actina (SCIVOLAMENTO) vedi Eqn. 3 Il rilassamento – L’ATP si lega alla testa della miosina e ne causa la dissociazione dall’actina – vedi Eqn. 4 – In assenza di ATP: Rigor 05/11/2019 091 FA -mortis BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 32

Schema Le quattro fasi della contrazione muscolare 1. Prima della contrazione o muscolo rilassato, actina e miosina non interagiscono 4. Il rilassamento. L’ATP si lega alla testa della miosina e ne causa la dissociazione dall’actina 05/11/2019 2. La risposta contrattile è attivata dall’aumento di calcio intracellulare. Le teste della miosina, che legano ADP e Pi, interagiscono con l’actina 3. Il colpo di potenza. Pi e ADP si dissociano dalla testa della miosina che ora interagisce fortemente con l’actina. La testa della miosina “vuota” ritorna alla conformazione a bassa affinità, ma trascina con sé l’actina (SCIVOLAMENTO) 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 33

L’attività ATPasica della miosina determina la velocità di contrazion • Una maggiore attività della miosina-ATPasi aumenta la possibilità delle teste di miosina di interagire con l’actina • Ciò consente un aumento del tasso di contrazione. • Diverse isoforme della miosina hanno livelli variabili di attività dell'ATPasi, con muscoli veloci con tassi più elevati di attività della miosina-ATPasi. 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 34

Il rilassamento muscolare Avviene per sequestro del Calcio nel reticolo sarcoplasmatico L’esempio del muscolo cardiaco 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 35

Il ciclo contrazione-rilassamento nel miocardio Trasporto attivo secondario Trasporto attivo primario 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 36

La contrazione nel muscolo liscio vascolare Viene attivata dalla fosforilazione della catena leggera della miosina, che forma i ponti con l’actina 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 37

Fine 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 38

Materiale integrativo 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 39

05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 40

A schematic of the actomyosin cycle. Roger Cooke J Gen Physiol 2004; 123: 643 -656 05/11/2019 The Rockefeller University Press 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 41

La struttura del muscolo scheletrico è gerarchica 05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 42

05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 43

05/11/2019 091 FA - BIOCHIMICA APPLICATA MEDICA 44

45