Muscoli: tutto quello che c’è da sapere

La maggior parte delle volte i muscoli vengono dati per scontato, in realtà sono incredibilmente importanti per due ragioni. Infatti questi costituiscono il motore che permette il movimento del corpo. Sebbene lavorino diversamente dal motore elettrico o da quello di un’auto, la funzione è la stessa: trasformare energia in movimento.

Sarebbe impossibile fare qualsiasi cosa, senza i muscoli. Qualsiasi cosa che pensi viene espressa attraverso il movimento dei muscoli. L’unico modo per esprimere un’idea è attraverso i muscoli della laringe, della bocca e della lingua (parlando), con i muscoli delle dita (scrivendo o gesticolando) o con i muscoli scheletrici (linguaggio del corpo, ballando, correndo, combattendo, etc.).

Dal momento in cui sono essenziali nella vita di ogni essere vivente, i muscoli sono incredibilmente sofisticati. Sono efficienti nel trasformare energia in movimento, sono resistenti, auto-riparatori e sono in grado di svilupparsi con l’allenamento. Fanno di tutto: dal farti camminare fino a permettere al sangue di circolare!

I tipi di muscoli

Quando le persone pensano ai muscoli, si riferiscono a quelli visibili. Come per esempio i bicipiti delle braccia.
Ma, in ogni mammifero, vi sono tre tipi di muscoli unici:

Muscolo scheletrico: è il tipo di muscolo che possiamo vedere e toccare. Quando un body builder si allena per aumentare la massa muscolare, allena i muscoli scheletrici. Essi sono legati allo scheletro a due a due (un muscolo che muove l’osso in una direzione e l’altro nel verso opposto). Questi muscoli di solito si contraggono volontariamente, ossia tu pensi di contrarli ed il sistema nervoso gli dice di farlo. Possono fare una contrazione breve e singola (contrazione) o una sostenuta e prolungata (tetano).

Muscolo liscio: si trova nell’apparato digerente, nei vasi sanguigni, nella vescica, nell’apparato respiratorio e, nelle donne, nell’utero. Il muscolo liscio ha la capacità di allungarsi e di stare in tensione per più tempo. Si contrae involontariamente: il sistema nervoso lo farà contrarre automaticamente. Per esempio, lo stomaco e l’intestino si contraggono continuamente senza che tu lo sappia.

Muscolo cardiaco: si trova solo nel cuore e le sue caratteristiche maggiori sono la resistenza e la consistenza. Può allungarsi in modo limitato, come il muscolo liscio e contrarsi con la forza di un muscolo scheletrico. E’ un muscolo contratto involontario.

In quest’articolo, abbiamo visto i diversi tipi di muscoli del nostro corpo e la fantastica tecnologia che gli permette di funzionare. Da adesso in poi, ci concentreremo sul muscolo scheletrico. I processi molecolari di base sono gli stessi in tutti e tre i tipi di muscoli.

Le basi del muscolo scheletrico

Il muscolo scheletrico è anche chiamato muscolo striato, perché quando è visto sotto la luce polarizzata, si possono notare delle striature chiare e scure.
Ha una struttura complessa, essenziale per la contrazione. Faremo a pezzi un muscolo scheletrico, partendo dalla sua più ampia struttura fino ad arrivare a quella più piccola.

L’azione base di ogni muscolo è la contrazione. Per esempio, quando pensi di muovere il braccio usando il muscolo del bicipite, il cervello invia un segnale alla cellula nervosa dicendo al muscolo bicipite di muoversi. La quantità di forza che il muscolo crea è varia (il muscolo può contrarsi molto o poco in base al segnale che viene inviato). Tutto quello che un muscolo può fare è creare una forza di contrazione.

La struttura del muscolo

Un muscolo è un fascio di cellule chiamate fibre. Puoi pensare alle fibre muscolari come dei lunghi cilindri e, comparate alle altre cellule del corpo, sono abbastanza grandi. Sono lunghe da 1 a 40 microns e da 10 a 100 microns di diametro. A confronto, una ciocca di capelli è di circa 100 microns di diametro ed una tipica cellula del corpo è di circa 10 microns di diametro.

Una fibra muscolare contiene molte miofibrille, che sono cilindri di proteine del muscolo. Queste proteine permettono al muscolo di contrarsi. Le miofibrille contengono due tipi di filamenti che si trovano lungo l’asse della fibra e questi filamenti sono disposti in maniera esagonale. Vi sono filamenti sottili e spessi. Ogni filamento spesso è circondato da sei filamenti sottili.

I filamenti spessi e sottili sono attaccati ad un’altra struttura chiamata disco Z o linea Z, che si trova in modo perpendicolare all’asse lunga della fibra (la miofibrilla che va da una linea Z all’altra si chiama sarcomero). Andando verticalmente verso la linea Z, troviamo un piccolo tubo chiamato trasversale o tubulo T, che in realtà è parte della membrana cellulare che si estende nella fibra. All’interno di quest’ultima, allungandosi dall’asse ai tubuli T, c’è un sistema di membrana chiamato reticolo sarcoplasmatico, che conserva e rilascia ioni di calcio che innescano la contrazione muscolare.

Contrarre un muscolo

Durante la contrazione, i filamenti sottili scivolano su quelli spessi, accorciando il sarcomero.

I filamenti sottili e spessi svolgono il vero e proprio lavoro del muscolo ed il modo in cui lo fanno è veramente affascinante. I filamenti spessi sono costituiti da una proteina chiamata miosina. A livello molecolare, un filamento spesso è un condotto di molecole di miosina contenute in un cilindro. I filamenti sottili sono costituiti da un’altra proteina chiamata actina. Essi somigliano a due fili di perle intrecciati tra loro.

Durante la contrazione, i filamenti spessi di miosina si legano ai filamenti sottili di actina generando dei ponti trasversali. I filamenti spessi tirano i filamenti sottili dietro di loro, accorciando il sarcomero. In una fibra muscolare, il segnale della contrazione è sincronizzato sull’intera fibra in modo tale che tutte le miofibrille che si trovano sul sarcomero si accorcino contemporaneamente.

Vi sono due strutture nelle scalanature di ogni filamento sottile che permettono a questi ultimi di scivolare lungo quelli spessi: una proteina lunga ed astiforme chiamata tropomiosina ed una proteina complessa e corta (come una perlina) chiamata troponina. Queste costituiscono gli interruttori molecolari che controllano l’interazione di actina e miosina durante la contrazione.

La forza

Lo scivolamento dei filamenti spiega come il muscolo si accorcia ma non spiega come il muscolo crei la forza richiesta per l’accorciamento. Per capire come si crea questa forza, immaginiamo di tirare qualcosa con una corda:

1. Afferra la corda con entrambe le mani, con le braccia distese.
2. Allenta la presa con una mano, con la mano sinistra per esempio, e mantieni la presa con quella destra.
3. Con la mano destra che mantiene la corda, cambia la posizione del braccio per accorciare la portata e tira la corda verso di te.
4. Afferra la corda con la mano sinistra distesa e rilascia la presa della tua mano destra.
5. Cambia la posizione del tuo braccio sinistro per accorciarlo e tira la corda, riporta il tuo braccio destro alla sua originale posizione estesa in modo da afferrare la corda.
6. Ripeti i passaggi da 2 a 5, alternando le braccia, fino alla fine.

I muscoli creano una forza alternando i ponti trasversali di miosina.

Applicazione

Per comprendere come un muscolo generi forza, applichiamo l’esempio della corda.

Le molecole di miosina sono della forma di una pallina da golf. Con il nostro esempio, la testa della miosina (con il ponte trasversale che forma) è il tuo braccio ed il filamento di actina è la corda:

1. La miosina forma un legame chimico con l’actina sul filamento sottile (afferrare la corda). Questo è il ponte trasversale.
2. Il ponte è esteso (il tuo braccio è esteso) con adenosina difosfato (ADP) e fosfato inorganico (P) attaccati alla miosina.
3. Quando il ponte si forma, la testa della miosina si piega (il tuo braccio si accorcia), creando forza e facendo scivolare l’actina dietro la miosina (tirare la corda). Questo è chiamato colpo di forza.
4. ADP e P vengono rilasciati. L’adenosina trifosfato (ATP) si lega alla miosina. L’ATP si lega, la miosina rilascia l’actina (lasciare andare la corda).
5. L’ATP viene diviso dalla miosina in ADP e P. L’energia dell’ATP riporta la miosina alla sua posizione originale (ristendere il braccio).
6. Il processo si ripete. La miosina si riattacca all’actina (afferrare la corda), si crea una forza (tirare la corda) e viene rilasciata l’actina (lasciare la corda).

Le contrazioni di tutti i muscoli vengono innescati da impulsi elettrici, siano essi trasmessi da cellule nervose, create internamente (con un pacemaker) o applicate esternamente (con stimoli di elettroshock).

Innescare ed invertire la contrazione

L’innesco di una contrazione muscolare è un impulso elettrico. Questo scatena una serie di eventi che conducono al ciclo dei ponti trasversali tra la miosina e l’actina, che genera forza. La serie di eventi è leggermente diversa a seconda del muscolo scheletrico, liscio e cardiaco.

Vediamo meglio cosa succede al muscolo scheletrico: dall’eccitazione, alla contrazione, al riposo:

1. Un segnale elettrico (azione potenziale) viaggia nella cellula lasciando un messaggio (neurotrasmettitore) in uno spazio tra nervi e muscoli (sinapsi).
2. Il neurotrasmettitore incrocia lo spazio, lo lega ad una proteina (recettore) sul muscolo e causa un’azione potenziale.
3. L’azione si diffonde nella cellula e penetra in essa tramite il tubulo-T.
4. L’azione spalanca i cancelli delle riserve di calcio del muscolo (reticolo sarcoplasmatico).
5. Gli ioni di calcio scorrono nel citoplasma, dove si trovano actina e miosina.
6. Essi si legano a troponina-tropomiosina situate nei filamenti di actina. La molecola di tropomiosina copre l’actina dove la miosina può formare dei ponti.
7. La troponina cambia forma e fa scivolare tropomiosina, esponendo il luogo di unione tra actina e miosina.
8. La miosina e l’actina formano ponti trasversali. Il muscolo crea forza e si accorcia.
9. I cancelli del calcio si chiudono e le pompe rimuovono il calcio dal citoplasma.
10. Il calcio viene rimandato nel reticolo. Gli ioni escono dalla troponina.
11. La troponina ritorna alla normalità e permette alla tropomiosina di coprire i luoghi di unione tra actina e miosina.
12. Non essendoci luoghi di unione disponibili, il muscolo si rilassa.

Come puoi vedere, la contrazione muscolare è regolata dal livello di ioni di calcio nel citoplasma. Nel muscolo scheletrico, gli ioni di calcio lavorano al livello dell’actina (contrazione regolata dall’actina). Essi mandano via il complesso troponina-tropomiosina dai siti di unione, permettendo all’actina e alla miosina di interagire.

L’energia

Tutta quest’attività richiede energia. I muscoli usano energia sotto forma di ATP. L’energia dell’ATP viene usata per reimpostare la testa del ponte trasversale di miosina e per rilasciare il filamento di actina. Per formare l’ATP il muscolo:

1. Abbatte il creatinfosfato, aggiungendo fosfato all’ADP per creare ATP.
2. Porta fuori la respirazione anaerobica, per il quale il glucosio è rotto in acido lattico e si forma l’ATP.
3. Viene portata fuori la respirazione aerobica, per il quale il glucosio, il glicogeno, i grassi e gli aminoacidi sono rotti in presenza di ossigeno per produrre ATP.

I muscoli hanno un mix di due tipi di fibre base: contrazione lenta e veloce. Le fibre della contrazione veloce sono in grado di sviluppare grandi forze, di contrarre velocemente e di avere una grande capacità anaerobica. Al contrario, le fibre della contrazione lenta, sviluppano lentamente la forza, mantengono la contrazione più a lungo ed hanno una grande capacità aerobica. Esercitandosi, si può aumentare la massa muscolare, probabilmente cambiare la taglia ed il numero delle fibre muscolari piuttosto che il tipo di fibre. Alcuni atleti usano farmaci che migliorano le prestazioni, nello specifico steroidi anabolizzanti, per accrescere il muscolo, sebbene questa pratica sia pericolosa e vietata nella maggior parte delle competizioni atletiche.

Muscolo cardiaco e liscio

Mentre la maggior parte dei processi sono simili, vi sono alcune differenze notevoli tra le azioni del muscolo scheletrico, liscio e cardiaco.

Il muscolo cardiaco

Le cellule del muscolo cardiaco sono striate e sono molto simili a quelle del muscolo scheletrico tranne per il fatto che nel muscolo cardiaco le fibre sono interconnesse.
Il reticolo sarcoplasmatico delle cellule del muscolo cardiaco non è così sviluppato come quello delle cellule del muscolo scheletrico. La contrazione del muscolo cardiaco è regolato dall’actina, questo significa che gli ioni di calcio vengono entrambi dal reticolo sarcoplasmatico (come nel muscolo scheletrico) e dall’esterno delle cellule (come nel muscolo liscio). Diversamente, la catena di eventi che accade nella contrazione del muscolo cardiaco è simile a quello del muscolo scheletrico.

Il muscolo liscio

Comparate al muscolo scheletrico, le cellule del muscolo liscio sono più piccole. Sono fusiformi, lunghe circa da 50 a 200 microns e solo da 2 a 10 microns di diametro. Non hanno striature o sarcomeri. Hanno fasci di filamenti sottili e spessi (opposte alle fasce ben sviluppate) che corrispondono alle miofibrille.

Nelle cellule muscolari lisce, i filamenti intermedi sono intrecciati con le cellule, come i fili in un paio di calze a rete. I filamenti intermedi ancorano i filamenti sottili e corrispondono ai dischi Z del muscolo scheletrico. A differenza delle cellule del muscolo scheletrico, le cellule dei muscoli lisci non hanno troponina, tropomiosina o un reticolo sarcoplasmatico organizzato.

Come nelle cellule del muscolo scheletrico, la contrazione nelle cellule del muscolo liscio include la formazione dei ponti trasversali e lo scivolamento dei filamenti sottili su quelli spessi. Tuttavia, dal momento in cui il muscolo liscio non è così organizzato come quello scheletrico, l’accorciamento avviene in tutte le direzioni. Durante la contrazione, i i filamenti intermedi del muscolo liscio aiutano a redigere la cellula, come per chiudere una sacca.

Gli ioni di calcio regolano la contrazione nel muscolo liscio, ma lo fanno in maniera leggermente diversa rispetto al muscolo scheletrico:

1. Gli ioni di calcio escono dalla cellula.
2. Gli ioni di calcio si legano ad un’enzima complesso sulla miosina, chiamata chinasi della catena leggera della calmodulina-miosina.
3. L’enzima complesso spezza l’ATP in ADP e trasferisce il P direttamente nella miosina.
4. Il trasferimento del P attiva la miosina.
5. La miosina forma ponti trasversali con l’actina (come accade nel muscolo scheletrico).
6. Quando il calcio è mandato via dalla cellula, il P viene rimosso dalla miosina da un altro enzima.
7. La miosina diventa inattiva ed il muscolo si rilassa.

Questo processo è chiamato contrazione regolata dalla miosina.