Correlazione
tra esercizio fisico ed espressione genica nelle fibre muscolari scheletriche
E’
ben noto che un adeguato corredo genetico (scelta dei giusti genitori)
rappresenta un prerequisito essenziale per il raggiungimento di prestazioni di
livello assoluto nell’ambito delle varie discipline sportive. E’ altrettanto
vero però che l’allenamento è in grado di modificare in maniera sostanziale
l’espressione genica soprattutto a livello delle fibre muscolari scheletriche
(Kady F. 2000).
Queste
cellule lunghe anche parecchi centimetri, hanno caratteristiche peculiari
essendo elementi plurinucleati (sincizi), dotate di un complesso macchinario
proteico, con isoforme diversificate nei diversi tipi di fibre e di un assetto
metabolico altamente specializzato. Tutte queste caratteristiche possono essere
modificate attraverso un idoneo esercizio fisico. Le fibre possono infatti
aumentare le loro dimensioni (ipertrofia), aumentare il numero dei nuclei,
aumentare e modificare il corredo di isoforme proteiche, incrementare e
modificare le loro attività metaboliche in risposta alle nuove esigenze
funzionali.
Molti
dei sistemi di segnalazione in grado di indurre tali cambiamenti sono ben noti
(fattori autocrini, paracrini, ormonali, neurali, fattori di crescita, flussi di
metaboliti intermedi etc.). La gran parte di essi hanno come target i mionuclei,
potendone modificare i processi trascrizionali e traslazionali dell’mRNA.
Recentemente è stato proposto che anche le forze meccaniche, che si sviluppano
durante l’allenamento, possono in via diretta influenzare la funzione dei
mionuclei. E’ stato dimostrato, infatti, che nel contesto della membrana
plasmatica (sarcolemma) di questi elementi sono presenti alcuni complessi
proteici che connettono la matrice extracellulare (MEC), organizzata attorno
alle miofibre (membrana basale), con l’impalcatura interna delle stesse fibre
(citoscheletro) (Chon R.D. et al. 1999).
I complessi proteici delle integrine e
delle glicoproteine associate alla distrofina (DGC) oltre che accoppiare
meccanicamente il compartimento extra ed intracellulare, funzionano anche da
recettori di membrana in grado di attivare una serie di sistemi segnalanti
biochimici diretti verso i nuclei (Magaudda et al., 2000). Riteniamo opportuno,
a questo punto ricordare, che la membrana basale rappresenta l’estrema
periferia del complesso di strutture connettivali presenti all’interno di ogni
muscolo. Questa impalcatura fibrosa, oltre a connettersi con l’involucro
esterno (epimisio), è in diretta continuità con le strutture tendinee
attraverso le cosiddette giunzioni miotendinee. E’ facile quindi comprendere
come muscoli e tendini rappresentino un’unica entità funzionale e come le
forze tensili, sviluppate durante il lavoro muscolare, possano essere trasmesse
dalle terminazioni tendinee fino alle membrane basali che contornano le singole
fibre.
L’energia meccanica giunta a questo livello, può essere trasferita
verso il citoscheletro proprio attraverso i sistemi di integrazione sopra
descritti e questi, peraltro, così stimolati, attivano una serie di molecole
segnalanti dirette verso i nuclei in grado di modificare la trascrizione genica.
D’altra parte, l’ipertrofia compensatoria, determinata dall’allenamento di
forza di notevole entità e prolungato nel tempo, favorendo un notevole
incremento volumetrico delle miofibre, deve essere supportata da un aumento
numerico dei mionuclei (Kady F. 2000). Questa possibilità è fornita dalle
cellule satelliti, mioblasti quiescenti, capaci sotto opportuna stimolazione di
proliferare e funzionare da donatori di nuovi nuclei per le fibre muscolari cui
sono associate. Anche queste cellule hanno un intimo rapporto con la lamina
basale delle miofibre, mediato dalle integrine. A questo proposito è stato
proposto che le forze meccaniche generate da un allenamento intensivo, possono
determinare un parziale distacco delle membrane basali dalla superficie delle
fibre muscolari e delle cellule satelliti (Russel B. et al. 1992). Questa
condizione può indurre, da una parte il rilascio dalle miofibre di alcuni
fattori di crescita (FGF e IGF etc.), che influenzano l’attivazione e la
proliferazione delle cellule satelliti, e dall’altra potrebbe abolire i
segnali di stabilizzazione delle stesse cellule mediati dalle integrine. Si
innesca in pratica un meccanismo di riparazione tissutale, pur in assenza di una
reale degenerazione cellulare, nel quale la MEC gioca un ruolo fondamentale. In
queste condizioni, le cellule satelliti proliferanti, esprimendo un repertorio
di integrine caratteristiche della fase iniziale della miogenesi, possono anche
fondersi tra di loro per formare nuove fibre muscolari e favorire il processo di
iperplasia.
Un’altra
via attraverso la quale le cellule satelliti possono essere attivate è fornita
dalla liberazione massiva, da parte delle fibre muscolari, di ossido nitrico
(NO), piccola molecola ubiquitaria altamente diffusibile ed importante
modulatore del tono vascolare e della forza contrattile del muscolo scheletrico
(Anderson J.E. 2000). Questo radicale libero viene sintetizzato ad opera di uno
specifico enzima, ossido nitrico sintetasi (NOS) che nelle miofibre è associato
al complesso DGC. In condizioni normali l’ossido nitrico diffonde in maniera
pulsatile al di fuori della fibra per agire su cellule ed enzimi
dell’interstizio, oppure viene neutralizzato dai globuli rossi dei vasi che
circondano ogni fibra muscolare.
In
corso di esercizio fisico le forze meccaniche stimolano il DGC, attraverso la
MEC, sovraregolando l’attività NOS. La conseguente aumentata liberazione di
NO, attraverso una vasodilatazione locale, migliora il trofismo delle fibre
sottoposte al carico di lavoro. Quando il carico diventa sovramassimale la
possibile deregolazione del sistema slatentizzando l’attività NOS favorirebbe
una liberazione massiva del monossido.
Le
cellule satelliti, vista la loro intima associazione con il sarcolemma, sono
idealmente posizionate per essere il primo bersaglio sensibile all’elevata
liberazione di ossido nitrico (Anderson J.E. 2000), cui rispondono attivandosi
per proliferare.
Anche
in questo caso, quindi, gli eventi meccanici connessi con il sovraccarico di
lavoro trovano, nelle variazioni del rapporto fisico tra la matrice e la fibra
muscolare, il sistema di segnalazione utile per favorire l’aumento
dimensionale della massa muscolare.
L’approfondimento
delle conoscenze di questi meccanismi e delle specifiche vie di segnalazione
intracellulare che, oltre a modificare il fenotipo delle fibre muscolari,
influenzano profondamente le attività metaboliche dell’intero organismo,
rappresenta sicuramente un importante settore di sviluppo della ricerca di base
connessa con la Medicina dello Sport, mirata oltre che al miglioramento delle
perfomance sportive, anche alla prevenzione e alla terapia di importanti
patologie metaboliche, attraverso una corretta “somministrazione”
dell’attività motoria.
E
a questo proposito, solo per dare un’idea di quanto importante sia la
possibilità di modificare, attraverso specifici allenamenti, la percentuale dei
diversi tipi di fibre presenti nei nostri muscoli, basta pensare che recenti
studi hanno dimostrato che le proprietà metaboliche associate con le fibre a
contrazione rapida sembrano avere un significativo impatto sul rischio di
sviluppare specifiche malattie sistemiche come l’aterosclerosi,
l’ipertensione, il diabete mellito di tipo II e l’obesità. Di converso
l’allenamento di resistenza, favorendo l’incremento numerico delle fibre a
contrazione lenta, migliora la capacità di clearance
plasmatica del glucosio, degli acidi grassi liberi e dei trigliceridi,
attraverso il loro utilizzo da parte del muscolo scheletrico, potendo così
determinare un effetto benefico nei confronti delle patologie sopracitate.
BIBLIOGARFIA
Anderson
J.E. A
role for nitric oxide in muscle repair: nitric oxide-mediated activation of
muscle satellite cells. Moll Biol Cell 2000; 11:1859
Chon
R.D., Mayer U., Saher G., Herrmann R., van der Flier A., Sonnenberg A. et al.
Secondary
reduction of a7b1 integrin in laminin a2 deficent congenital muscular dystrophy
supports an additional transmembrane link in skeletal muscle. Journal of
Neurological Sciences 1999; 5:2019-22
Kady
F.
Adaption of human skeletal muscle to training and anabolic steroids. Acta
Physilogica Scandinavica 2000;168:1-51
Magaudda
L., Di Mauro D. Messina L. Le
interazioni cellula-matrice nel muscolo scheletrico:lo stato dell'arte. Med
sport 2000;53:223-230
Russel
B., Dix D.J., Haller D.L., Jacobs E.L.
Repair of injured skeletal muscle: a molecular approach. Med
Sci Sports Exerc
1992; 24:189-96