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.
BIBLIOGRAFIA
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
