La muscolatura scheletrica costituisce circa il 40 % della massa corporea di un adulto ed è formata da molti muscoli composti da fasci di fibre altamente specializzate. Le fibre differiscono per metabolismo, velocità di accorciamento e resistenza, consentendo sia il mantenimento della postura sia movimenti rapidi o di grande potenza. Ogni fibra è avvolta da un involucro chiamato sarcolemma, formato dalla membrana plasmatica e da un sottile strato polisaccaridico ricco di collagene che si fonde, all’estremità, con le fibre collagene del tendine. In questo modo la forza generata all’interno della fibra viene efficacemente trasferita all’osso.
Sotto il sarcolemma si allineano centinaia di migliaia di miofibrille, cilindri proteici orientati lungo l’asse della cellula. Ogni miofibrilla contiene circa 1 500 filamenti di miosina (spessi) e 3 000 filamenti di actina (sottili). L’alternanza regolare di queste strutture produce, al microscopio a luce polarizzata, una sequenza di bande I chiare (isotrope) e bande A scure (anisotrope), caratteristica che dà al muscolo l’aspetto “striato”. Nella zona centrale della banda A si riconoscono la banda H, più chiara perché priva di actina sovrapposta, e la sottile linea M, che ancora i filamenti spessi mantenendoli paralleli.
Dalle molecole di miosina sporgono piccole teste globulari che formano i ponti trasversali; essi si fissano ai siti attivi dell’actina, idrolizzano ATP e, oscillando, trascinano i filamenti sottili verso il centro del sarcomero generando la contrazione muscolare. Le estremità dei filamenti di actina sono ancorate a una struttura a zig-zag, la linea Z, che avvolge tutta la miofibrilla trasformandosi in un disco Z. L’allineamento dei dischi Z di miofibrille contigue crea una griglia che attraversa l’intera fibra, assicurando la trasmissione uniforme della tensione.
Il tratto di miofibrilla compreso fra due linee Z consecutive è il sarcomero, unità funzionale lunga circa 2 µm in condizioni di riposo; durante la contrazione i filamenti scorrono uno sull’altro e il sarcomero si accorcia di diverse centinaia di nanometri. L’elevata regolarità con cui bande e linee si ripetono lungo la fibra garantisce che l’accorciamento di milioni di sarcomeri avvenga in perfetta sincronia, sviluppando una forza macroscopicamente percepibile.
Le miofibrille sono immerse nel sarcoplasma, una matrice citoplasmatica ricca di ioni potassio, magnesio e fosfato, di enzimi glicolitici e di scorte di glicogeno. Numerosi mitocondri, disposti parallelamente alle miofibrille, assicurano una rapida sintesi di ATP attraverso la fosforilazione ossidativa, mentre un vasto reticolo sarcoplasmatico — specializzazione del reticolo endoplasmatico — immagazzina Ca2+. Al passaggio del potenziale d’azione, il reticolo rilascia calcio nel sarcoplasma: gli ioni legano la troponina, spostano la tropomiosina dai siti attivi dell’actina e innescano la formazione dei ponti trasversali. Terminato lo stimolo, pompe Ca2+-dipendenti riportano gli ioni nelle cisterne, consentendo il rilassamento.
In sintesi, la fibra muscolare scheletrica è una struttura gerarchica: il sarcolemma protegge la cellula e trasmette la forza; le miofibrille, costituite da filamenti spessi e sottili ordinati in sarcomeri, trasformano l’energia chimica in lavoro meccanico; il sarcoplasma fornisce ioni, substrati e un ambiente enzimatico favorevole; mitocondri e reticolo sarcoplasmatico assicurano rispettivamente energia e regolazione del calcio. Questa organizzazione rende possibile una contrazione potente, controllata e ripetibile, indispensabile per la locomozione e per le attività quotidiane.
Prima di discutere l’aspetto energetico della contrazione è opportuno descrivere in dettaglio i principali componenti molecolari coinvolti nel ciclo actina-miosina.
Il filamento di miosina è formato da ~200 molecole, ciascuna del peso di 480 kDa. Ogni molecola possiede 6 catene polipeptidiche: due catene pesanti avvolte in una doppia elica che costituisce la coda e quattro catene leggere che stabilizzano le due teste globulari. Le teste contengono il sito ATPasico: idrolizzano ATP e convertono l’energia chimica in energia meccanica necessaria al colpo di forza. Le code aderiscono fra loro formando un fascio regolare lungo ~1,6 µm, mentre le teste sporgono radialmente nelle sole regioni terminali generando i ponti trasversali, elementi mobili che si attaccano ciclicamente al filamento sottile.
Il filamento di actina è composto da tre proteine: actina, tropomiosina e troponina. L’ossatura nasce da due catene di F-actina (42 kDa) avvolte a doppia elica; ogni giro comprende 13 subunità globulari (G-actina) che intrappolano una molecola di ADP, principale sito di legame per la miosina. Lungo ciascun solco si dispone la tropomiosina (70 kDa, 40 nm) che copre sette siti di legame e previene un’adesione prematura dei ponti.
Ad intervalli regolari la tropomiosina è ancorata a un complesso troponinico formato da tre subunità: T (lega la tropomiosina all’actina), I (inibisce l’interazione con Ca2+) e C (lega Ca2+ con alta affinità). Il filamento sottile è fissato alla linea Z tramite α-actinina; sporgendosi tra i fasci di miosina genera, insieme a essi, le bande I, A, H e la linea M che conferiscono al muscolo l’aspetto striato.
Quando il potenziale d’azione rilascia Ca2+ dal reticolo sarcoplasmatico, la troponina C cattura gli ioni, la troponina I cambia conformazione e la tropomiosina trasla, liberando i siti attivi dell’actina. Le teste miosiniche si agganciano, idrolizzano ATP ed effettuano il colpo di forza, trascinando l’actina verso il centro del sarcomero. Al termine dello stimolo, pompe Ca2+-dipendenti sequestrano gli ioni, la tropomiosina riocculta i siti e la fibra si rilassa, pronta per un nuovo ciclo.
Ogni contrazione richiede notevoli quantità di ATP. Più lavoro esegue il muscolo – dal mantenere la postura al salto – maggiore è l’ATP idrolizzato, fenomeno noto come effetto Fenn. Il ciclo actomiosinico richiede pochi millisecondi e si ripete in milioni di sarcomeri.
La contrazione simultanea di tutti i sarcomeri di tutte le fibre causa l’accorciamento macroscopico del muscolo.
Le fibre muscolari si distinguono in base alle isoforme della catena pesante di miosina (MyHC): tipo 1, 2A, 2B.
Tipo 1 (rosse, lente) – metabolismo ossidativo, alta resistenza alla fatica, contrazione lenta. Ricche di mitocondri, mioglobina e capillari, impiegano glucosio e lipidi tramite fosforilazione ossidativa; la loro ATPasi è più lenta. Il diametro è minore rispetto alle fibre rapide; collegate a motoneuroni tonici che scaricano a bassa frequenza (5-25 Hz). Sono ideali per attività di endurance e nei muscoli posturali.
Le MHC possiedono molte isoforme; ciascuna fibra di regola esprime un gene MyHC con due geni MLC, ma la co-espressione di più isoforme (fibre ibride) è frequente e conferisce un ampio spettro funzionale. Nel muscolo maturo umano la combinazione di isoforme fast/slow è stabile ma modulabile da ormoni, attività nervosa e allenamento (plasticità muscolare).
La velocità massima di accorciamento (Vmax), la forza isometrica (Po), la potenza e il consumo di ATP dipendono dalla quota di ciascuna isoforma. Nei mammiferi nove geni codificano le MHC di classe II, distribuiti su due cluster cromosomici (14 e 17). Quattro isoforme (β-slow/1, 2A, 2X, 2B) predominano nell’adulto; MHC-β è espressa anche nel miocardio. L’isoforma 2B è rara nell’uomo. Altre isoforme embrionali o specifiche (MHC-emb, -neo, -eo, -a, -m) compaiono durante sviluppo, rigenerazione o in muscoli specializzati.
Due loops variabili nella testa di miosina, vicini ai siti di legame di ATP e actina, influiscono su ATPasi e velocità di scorrimento. Lo stimolo nervoso a bassa frequenza (10-20 Hz) favorisce un fenotipo lento; scariche brevi ad alta frequenza (100-150 Hz) promuovono un fenotipo rapido.
Atrofia = perdita di massa per riduzione del volume cellulare. Cause: disuso, denervazione, ischemia, malnutrizione, invecchiamento, patologie croniche (cachessia). Conseguenza principale: debolezza. Processi chiave: aumento proteolisi, diminuzione sintesi, rimodellamento dei mionuclei e ridotta attività delle cellule satelliti.
I modelli di micro-array hanno identificato atrogeni comuni: le ubiquitin-ligasi muscolo-specifiche atrogin-1/MAFbx e MuRF1, che potenziano la degradazione via sistema ubiquitina-proteasoma. Anche il sistema autofagia-lisosoma contribuisce al turnover proteico e, se deregolato, alla perdita di massa.
Sarcopenia = perdita di massa e funzione muscolare legata all’età; accentuata da sedentarietà, insufficienze endocrine e infiammazione cronica. Una riduzione eccessiva della massa compromette metabolismo, autonomia e prognosi in molte patologie (diabete, scompenso cardiaco, tumori).
I due principali sistemi che regolano il turnover proteico nel muscolo sono il complesso ubiquitina-proteasoma e il complesso autofagia-lisosoma; il loro coordinamento è essenziale per l’omeostasi muscolare.
Durante la riduzione di massa muscolare aumenta la marcatura delle proteine sarcomeriche con ubiquitina e l’attività ATP-dipendente del proteasoma 26 S. Ciò avviene per:
Gli studi di espressione genica hanno individuato un nucleo di atrogeni; fra questi spiccano le ligasi muscolo-specifiche Atrogin-1/MAFbx e MuRF1 (controllano rispettivamente MyoD/eIF3f e varie proteine sarcomeriche). Topi privi di entrambe risultano protetti dall’atrofia da denervazione.
Altre E3 rilevanti:
Il ruolo dei de-ubiquitinasi è meno noto: finora solo USP14 e USP19 risultano aumentati in muscoli atrofici.
Fondamentale per rimuovere organelli e macromolecole danneggiate. È stimolato da digiuno prolungato, carenza di amminoacidi, stress ossidativo e citochine; un suo squilibrio contribuisce tanto alla perdita di massa quanto all’accumulo di detriti citoplasmatici.
La dimensione delle fibre deriva da un complesso network di pathway che integrano anabolismo e catabolismo. Quattro assi rivestono un ruolo centrale:
Sarcopenia è il termine introdotto da Rosenberg (1989) per indicare la perdita di massa muscolare legata all’età. Poiché l’invecchiamento comporta anche un declino di forza e potenza, oggi il concetto include la componente funzionale: la semplice riduzione della massa non descrive adeguatamente il problema (Goodpaster 2005; Janssen 2004, 2010; Narici 2010).
L’European Working Group on Sarcopenia in Older People (EWGSOP) definisce la sarcopenia come perdita combinata di massa e funzione muscolare (Cruz-Jentoft 2010), mentre la Society of Sarcopenia, Cachexia and Wasting propone la dizione “sarcopenia con limitata mobilità” (Morley 2011). Il quadro è fortemente predittivo di disabilità (Janssen 2002, 2006), rischio amplificato negli anziani obesi (Baumgartner 2004).
La condizione è frequente in entrambi i sessi: prevalenza 5-13 % tra 60-70 anni, 11-50 % oltre gli 80 anni; negli USA interessa circa 3,6 milioni di persone (Morley 2012).
Le cause sono molteplici (fig. 10) e riflettono cambiamenti neuronali, ormonali, immunitari, nutrizionali e, soprattutto, di attività fisica, il fattore emergente più critico (Morley 2012). La contrazione muscolare induce il rilascio locale di IGF-I-Ea e mechanogrowth factors che attivano cellule satelliti e sintesi proteica; questi meccanismi risultano meno efficienti con l’età (fig. 11).
Attualmente si ritiene che esercizi di resistenza associati a un adeguato apporto proteico rappresentino i cardini della gestione. Tuttavia, ulteriori alterazioni extramiofibrillari – infiltrazione adiposa inter- e intramuscolare, riduzione degli ormoni anabolici, modificazioni nervose (perdita di motoneuroni, rimodellamento sinaptico, minore frequenza di scarica) – contribuiscono alla compromissione funzionale.
La diminuzione di massa comporta sia riduzione del diametro delle fibre (atrofia) sia loro perdita numerica (ipoplasia); ciò distingue la sarcopenia dall’atrofia da semplice disuso, dove il numero di fibre resta invariato.
I cambiamenti strutturali portano a una riduzione della sezione trasversale e del volume muscolare nonché a un rimodellamento della architettura, determinante delle relazioni Lunghezza-Forza e Forza-Velocità. L’autofagia, normalmente coinvolta nel rinnovamento cellulare, può contribuire alla sarcopenia quando è cronicamente sbilanciata: negli anziani un decremento dell’attività autofagica si correla con incremento di danno ossidativo e apoptosi, rendendo le fibre più fragili (Cuervo 2008).
Figura 10. Meccanismi multifattoriali della sarcopenia.
Figura 11. Principali cause evidenziate con l’avanzare dell’età. CNTF: ciliary neurotrophic factor; TNF-α: tumour necrosis factor-α; IL-6: interleuchina-6.
Coniato da Kerr et al. (1972), il termine apoptosi indica una forma di morte cellulare programmata, distinta dalla necrosi per morfologia e per meccanismi biochimici energia-dipendenti (Ranger 2001). Durante l’apoptosi una cascata ordinata di proteasi e idrolasi degrada le strutture cellulari in modo confinato, senza lisi di membrana né risposta infiammatoria: è quindi un processo cruciale per sviluppo embrionale, turnover tissutale, omeostasi del sistema immunitario e regressione ormone-dipendente (Kroemer 2007; Pollack 2002).
Un equilibrio appropriato tra induzione e inibizione dell’apoptosi protegge l’organismo; uno squilibrio (eccesso o difetto) è associato a cancro, malattie neurodegenerative, ischemia, autoimmunità e offre ampi bersagli terapeutici (Norbury 2001). Le caspasi, proteasi cisteiniche aspartato-specifiche, sono i principali esecutori: vengono sintetizzate come procaspasi e attivate tramite taglio proteolitico. Si distinguono caspasi pro-infiammatorie (1, 4, 5, 11-14), iniziatrici (2, 8, 9, 10) ed effettrici (3, 6, 7).
Due vie principali convergono sull’attivazione delle caspasi 3/6/7 (fig. 12):
Scatta quando ligandi esterni (TNF-α, FasL, TRAIL) si legano ai rispettivi recettori TNF-R1/2, Fas/CD95 o TRAIL-R. Il complesso DISC recluta FADD e attiva la caspasi-8, innescando la cascata. I recettori TRAIL-R1/2 sono pro-apoptotici; TRAIL-R3/4 e osteoprotegerina, privi (o tronchi) del dominio di morte, fungono da decoy.
Stimoli interni (danno al DNA, stress ossidativo, ipossia, deprivazione di fattori di crescita) modulano la famiglia Bcl-2: proteine anti-apoptotiche (Bcl-2, Bcl-XL, Mcl-1) si oppongono a proteine pro-apoptotiche (Bax, Bak, BH3-only). L’attivazione di Bax/Bak aumenta la permeabilità della membrana mitocondriale, rilasciando citocromo c e SMAC/DIABLO. Nel citosol il citocromo c, con Apaf-1 e dATP, forma l’apoptosoma che attiva la caspasi-9; SMAC/DIABLO inibisce le IAP, liberando le caspasi. Esistono anche percorsi caspasi-indipendenti coinvolgenti AIF ed endonucleasi G. La proteina p53 collega danno irreversibile al DNA e attivazione della via intrinseca.
Interconnessioni: le vie estrinseca e intrinseca si modulano reciprocamente; una terza via, perforina–granzyme (cellule T citotossiche), introduce granzyme B (caspasi-dipendente) o granzyme A (caspasi-indipendente), convergendo sull’esecuzione finale: condensazione cromatinica, frammentazione del DNA, formazione di corpi apoptotici fagocitati senza infiammazione.
Nel corpo adulto circa 10 miliardi di cellule al giorno muoiono per apoptosi, bilanciando la proliferazione (Renehan 2001). Essa guida rimodellamento embrionale, selezione di neuroni e linfociti, eliminazione di cellule infettate, guarigione delle ferite e involuzione tessutale (luteo, ghiandola mammaria). Un aumento o riduzione inadeguati della morte programmata provocano difetti di sviluppo, fibrosi, autoimmunità o neoplasie.
Nei tessuti post-mitotici, tra cui il muscolo, il ruolo dell’apoptosi rimane dibattuto. Ogni fibra è multinucleata; i mionuclei possono morire progressivamente senza distruggere l’intera cellula, contribuendo a atrofia e degenerazione (Dupont-Versteegden 2006). Nel topo mdx (distrofia), l’apoptosi precede la necrosi (Tidball 1995); è implicata anche in atrofie, miopatie infiammatorie, denervazione e SMA. Nelle distrofie collegate al collagene VI una disfunzione mitocondriale determina eccessiva apoptosi dei mionuclei (Angelin 2007).
Ciclo actina-miosina attivato dal Ca2+ che libera i siti sull’actina; le teste della miosina idrolizzano ATP, compiono il colpo di forza e accorciano il sarcomero in sequenze di millisecondi.
Ubiquitina-proteasoma e autofagia-lisosoma coordinate da IGF-1/Akt/FoxO, miostatina, NF-κB e glucocorticoidi, regolano equilibrio sintesi-degradazione e determinano la perdita di massa.
Sarcopenia comporta riduzione di massa e funzione con perdita di fibre (ipoplasia) oltre alla loro atrofia, mentre il disuso riduce solo il diametro delle fibre esistenti.
Il muscolo scheletrico, costituito da fibre striate organizzate in sarcomeri con filamenti di actina e miosina, trasduce energia chimica in lavoro meccanico grazie al ciclo actomiosinico dipendente da ATP e Ca2+. Vie di segnale come IGF-1/Akt/FoxO, sistema ubiquitina-proteasoma e autofagia regolano omeostasi, atrofia muscolare e sarcopenia. L’apoptosi programmata contribuisce a rimodellamento e patologie. La combinazione di morfologia, bioenergetica e controllo molecolare spiega forza, adattamento e declino del tessuto muscolare con età e malattie.