Sapevi che il nostro organismo contiene più di 700 muscoli? E sapevi anche che molti muscoli lavorano anche quando sei immobile sul divano a guardare la TV? Sto parlando, ad esempio, dei muscoli degli occhi, che sono quasi costantemente in movimento per focalizzarsi sui diversi soggetti su cui concentriamo di volta in volta la nostra attenzione. Stare distesi sul divano non farà di noi dei body-builder, ma meglio di niente!
Andremo ora ad esplorare come funziona il movimento dei muscoli e in particolare la loro contrazione.
Classificazione dei muscoli
Le cellule muscolari sono classificate in due categorie in base al loro aspetto: striate e non striate. I muscoli striati, composti appunto da cellule striate, sono ulteriormente suddivisi in muscoli scheletrici e muscoli cardiaci. Una caratteristica importante che accomuna i muscoli striati è la presenza di mioglobina, una proteina globulare contenente ferro e in grado di legare reversibilmente l'ossigeno. La mioglobina è presente nei tessuti muscolari cardiaci e scheletrici non solo degli esseri umani, ma anche di tutti i vertebrati.
Il muscolo scheletrico o muscolo volontario è il tipo di muscolo più comune nel corpo umano ed è attaccato alle ossa tramite i tendini. Pertanto, questo tipo di muscolo permette il movimento volontario degli arti e dello scheletro.
Alcuni esempi di muscolo scheletrico sono i muscoli bicipiti, tricipiti e quadricipiti.
Il muscolo cardiaco o miocardio, come suggerisce il nome, si trova solo nel cuore e ha la funzione di contrarsi per pompare il sangue in tutto il corpo. Questo muscolo è controllato involontariamente.
Le cellule muscolari non striate, di contro, costituiscono i muscoli non striati o lisci.
Il muscolo non striato o muscolo liscio non contiene mioglobina ed è controllato involontariamente dall'organismo.
I muscoli non striati hanno diverse funzioni, tra cui:
Controllo del processo di peristalsi nell'intestino.
Regolazione della resistenza delle pareti dei vasi sanguigni e dunque della pressione sanguigna.
Regolazione del flusso di urina.
Contrazioni dell'utero durante la gravidanza e il travaglio.
Figura 1. Schema dei tipi di muscolo e delle loro caratteristiche principali.
Mioglobina
La mioglobina è una proteina globulare di colore rosso (donato dal pigmento EME) e strutturalmente simile a una singola subunità dell'emoglobina.
Sebbene la mioglobina e l'emoglobina siano entrambe molecole che immagazzinano ossigeno, la mioglobina ha un'affinità maggiore per l'ossigeno rispetto all'emoglobina. Di conseguenza, l'emoglobina tende a cedere ossigeno alla mioglobina, soprattutto a pH bassi. Questo comportamento è particolarmente importante durante un'intensa attività muscolare, quando l'ossigeno scarseggia e i muscoli sono sottoposti a respirazione anaerobica. Un sottoprodotto della respirazione anaerobica è l'acido lattico, che abbassa il pH dei muscoli. Pertanto, durante un'intensa attività muscolare, l'emoglobina cede più facilmente l'ossigeno nei muscoli alla mioglobina. L'ossigeno viene utilizzato nella respirazione aerobica per generare l'ATP necessario alla contrazione muscolare.
Tipi di contrazione muscolare
Le contrazioni dei muscoli scheletrici sono classificate in due tipi in base alla lunghezza del muscolo durante la contrazione. Sulla base di questa distinzione, la contrazione muscolare può essere isometrica o isotonica.
Contrazione muscolare isometrica
Le contrazioni muscolari isometriche generano forza e tensione mantenendo la lunghezza del muscolo relativamente costante.
I muscoli della mano e dell'avambraccio subiscono una contrazione isometrica quando si effettua una presa stretta. Immagina di dover spingere un muro cercando di spostarlo: i muscoli si contrarranno mantenendo la stessa posizione.
Contrazione muscolare isotonica
Durante le contrazioni muscolari isotoniche la tensione rimane costante mentre la lunghezza del muscolo cambia.
A seconda della variazione della lunghezza del muscolo, le contrazioni isotoniche possono essere concentriche o eccentriche.
Contrazione muscolare isotonica concentrica
La contrazione muscolare isotonica concentrica è un tipo di attività muscolare che genera tensione e forza per spostare un oggetto mentre il muscolo si accorcia.
Questo è il tipo di contrazione muscolare più comune nel nostro corpo. Durante la contrazione concentrica si verifica un ciclo di ponti incrociati tra i miofilamenti di actina e miosina e l'accorciamento dei sarcomeri (vedi paragrafo successivo per maggiori dettagli in merito).
Sollevando un manubrio durante il curl dei bicipiti, una contrazione concentrica fa sì che il braccio si pieghi a livello del gomito e sollevi il peso verso la spalla.
Contrazione muscolare isotonica eccentrica
Durante una contrazione muscolare isotonica eccentrica, il muscolo si allunga pur continuando a generare forza.
In altre parole, la resistenza opposta dal muscolo è maggiore della forza generata, con conseguente allungamento del muscolo. I cicli di ponti incrociati tra i filamenti di actina e miosina si verificano anche nella contrazione eccentrica, ma il sarcomero e la lunghezza del muscolo si allungano. La contrazione eccentrica è il tipo di contrazione più forte e viene utilizzata soprattutto per i movimenti controllati con i pesi.
Le contrazioni eccentriche possono essere volontarie o involontarie. La contrazione eccentrica volontaria consente di abbassare in modo controllato un oggetto pesante sollevato da una contrazione concentrica. Un esempio di contrazione eccentrica involontaria è l'abbassamento involontario di un oggetto troppo pesante.
Contrazione muscolare volontaria e involontaria nei muscoli striati
Prima di capire come avviene la contrazione muscolare, analizziamo brevemente la struttura di un muscolo. I muscoli sono composti da fibre muscolari (cellule muscolari), che nei muscoli striati prendono il nome di miofibre. Ogni miofibra è composta da numerosi filamenti detti miofibrille e contenuti in un rivestimento, il sarcolemma (membrana cellulare). Ciascuna miofibrilla contiene filamenti di proteine contrattili chiamati collettivamente miofilamenti. I miofilamenti si distinguono in actina (filamento sottile) e miosina (filamento spesso). Ogni filamento di miosina è formato da una "testa" globulare che diventerà una dei protagonisti della contrazione muscolare. Ogni singolo raggruppamento di actina e miosina è chiamato sarcomero, l'unità funzionale della contrazione muscolare; sono proprio i sarcomeri a conferire al muscolo l'aspetto striato. Lungo le molecole di actina troviamo due gruppi di molecole organiche, la troponina e la tropomiosina. La troponina è simile a una fune doppia arrotolata intorno al filamento di actina, mentre la tropomiosina è un insieme di proteine globulari e si colloca sulla molecola di troponina a intervalli regolari.
Figura 2. Struttura della miofibra.
Figura 3. Actina e miosina.
Nella contrazione muscolare i filamenti sottili di actina e quelli spessi di miosina scivolano l'uno sull'altro in un processo spiegato dalla teoria del filamento scorrevole. La stimolazione nervosa per avviare la contrazione muscolare giunge tramite il neurone collegato alla fibra muscolare e stimola il reticolo sarcoplasmatico a rilasciare ioni calcio Ca2+ nel citoplasma della fibra muscolare. Gli ioni Ca2+ si combinano con le molecole di troponina, le quali cambiano struttura provocando lo spostamento delle molecole di tropomiosina. Lo spostamento delle molecole di tropomiosina espone i siti di legame sull'actina a cui si attaccano le "teste" dei filamenti di miosina formando ponti trasversali. Tramite questi ponti, la miosina "tira" l'actina verso il centro del sarcomero, il quale si accorcia, generando la contrazione.
L'ATP svolge un ruolo fondamentale nella contrazione muscolare; da un lato, fornisce energia per il processo; dall'altro, l'arrivo di una nuova molecola di ATP rimuove il ponte trasversale tra miosina e actina (rilassamento) per permettere l'avvio di una nuova contrazione.
Contrazione muscolare involontaria nei muscoli lisci
I muscoli lisci si contraggono più lentamente e più a lungo dei muscoli striati. Essi non presentano striature poiché sono privi di sarcomeri. Infine, le loro fibre muscolari sono più grandi.
In che modo i muscoli scheletrici producono il movimento?
I muscoli producono solo una tensione che non porta a un movimento efficace se non si agisce su una struttura che non cambia forma, cioè l'osso. Pertanto, il movimento degli arti richiede sia i muscoli che uno scheletro solido.
I muscoli sono di solito attaccati alle ossa tramite strutture costituite da tessuto connettivo molto forte tendini. Una delle proprietà più importanti dei tendini è che, nonostante la loro elevata flessibilità, non si allungano quando il muscolo si contrae e si tira. In questo modo trasmettono tutta la forza generata all'osso.
I muscoli scheletrici sono il tipo di muscoli più comune nel corpo umano, con oltre 700 che si incrociano tra loro in più direzioni.
Non tutti i tendini sono collegati alle ossa. Alcuni tendini collegano i muscoli ai tendini di altri muscoli, come i muscoli lombricali della mano.
Azione antagonistica dei muscoli
I muscoli sono in grado di produrre tensione solo tirando o contraendosi e non sono quindi in grado di spingere o comprimere. A causa di questa limitazione, i muscoli devono lavorare in coppia per generare movimenti in direzioni diverse. Quando due muscoli diversi tirano un'articolazione in direzioni opposte, agiscono in modo antagonista l'uno rispetto all'altro. Un esempio di azione muscolare antagonista si può osservare nei muscoli estensori e flessori del ginocchio quando flettiamo ed estendiamo la gamba all'altezza del ginocchio. Per estendere il ginocchio, i muscoli quadricipiti si contraggono e i tendini del ginocchio si rilassano. Per piegare il ginocchio, i muscoli flessori del ginocchio si contraggono e i quadricipiti si rilassano.
Anche in questo caso è importante sottolineare che questa azione antagonista si traduce in un movimento dovuto all'incomprimibilità delle ossa.
Una delle funzioni principali dei muscoli è quella di mantenere la postura. Ciò si ottiene quando coppie di muscoli antagonisti si contraggono isometricamente in corrispondenza delle articolazioni per mantenere costante l'angolo articolare.
Azione sinergistica dei muscoli
Nella maggior parte dei casi, il sollevamento di oggetti pesanti richiede un processo di contrazione più complicato con più muscoli coinvolti. Ad esempio, i muscoli bicipiti brachiali sono i primi flessori del gomito. Oltre al bicipite brachiale, anche i muscoli brachiale e brachioradiale flettono il gomito quando si contraggono. Si dice quindi che questi muscoli agiscono in modo sinergico, cioè si aiutano a vicenda durante la contrazione.
Contrazione muscolare dolorosa
Una contrazione muscolare involontaria e dolorosa di un muscolo scheletrico è chiamata contrattura. All'origine della contrattura è un'eccessiva sollecitazione del muscolo, ad esempio con un carico che supera il suo limite di sopportazione. In queste condizioni, il muscolo attiva un meccanismo di difesa che lo porta a contrarsi. A seguito della contrattura, il muscolo si presenta rigido e deve stare a riposo per qualche giorno prima di poter riprendere la sua funzione.
Contrazione muscolare - Punti chiave
- I muscoli si dividono in muscoli striati e muscoli non striati. I muscoli striati comprendono i muscoli cardiaci e scheletrici. Entrambi contengono mioglobina e sono composti da molte unità contrattili chiamate sarcomeri che conferiscono loro l'aspetto striato. I muscoli non striati comprendono i muscoli lisci, i quali non contengono né mioglobina né sarcomeri. I muscoli cardiaci e i muscoli lisci sono involontari, i muscoli striati sono volontari.
- La mioglobina è una proteina globulare di colore rosso in grado di legarsi all'ossigeno con un'affinità maggiore rispetto all'emoglobina. Pertanto, è in grado di scaricare prontamente l'ossigeno dall'emoglobina del sangue e di immagazzinarlo nei muscoli striati.
- Esistono due tipi principali di contrazione muscolare: isometrica (la lunghezza del muscolo rimane costante) e isotonica (la lunghezza del muscolo cambia, accorciandosi, come nella contrazione concentrica, o allungandosi, come nella contrazione eccentrica).
- La contrazione muscolare ha inizio quando il neurone connesso alla fibra muscolare trasmette il relativo impulso nervoso.
- L'actina e la miosina sono i due filamenti proteici il cui avvicinamento è alla base della contrazione muscolare nei muscoli striati. La teoria del filamento scorrevole spiega nel dettaglio come funziona il processo a livello biochimico.
- L'ATP e gli ioni Ca2+ sono fondamentali per la contrazione muscolare nei muscoli striati.
- I muscoli spesso lavorano in coppia in modo antagonista (i muscoli coinvolti generano movimenti opposti per cui uno si contra e l'altro si rilassa) o sinergica (i muscoli sono entrambi contratti e tirano un'articolazione nella stessa direzione).
- Si verifica una contrattura quando il muscolo scheletrico si contrae in modo involontario e doloroso.
References
- Figura 2 - Organization of Muscle Fiber (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:1002_Organization_of_Muscle_Fiber.jpg) by OpenStax is licensed by CC BY 4.0. The text was translated into Italian.
- Figura 3 - Skeletal muscle (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Skeletal_muscle.jpg) by Raul654 is licensed by CC BY-SA 3.0. The text was translated into Italian and cut.
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