RICERCA ITALIANA     

Orientamento delle teste miosiniche durante la generazione di forza nel muscolo scheletrico

Università degli Studi di Firenze

Abstract

E' stato dimostrato che l'intensità (IM3) della riflessione meridionale (M3) a 14.57nm di spaziatura, derivante dalla regolare distribuzione assiale delle teste di miosina lungo il filamento spesso, è sensibile ai cambiamenti rapidi di lunghezza del muscolo. Nel muscolo attivo IM3 aumenta fino ad un massimo (IM3max) per un piccolo step di accorciamento per diminuire di nuovo con grandi accorciamenti. Anche piccoli allungamenti provocano riduzioni di IM3. Si ritiene che questi cambiamenti di intensità siano causati dalla rotazione sincronizzata del braccio di leva di S1 che risultano dalla variazione rapida di carico sul muscolo (movimenti elastici) che si aggiungono a quelli causati dal meccanismo attivo di generazione di forza, il power stroke. Perciò gli studi di diffrazione dei raggi X durante variazioni di lunghezza, permettono di calcolare l'orientamento del braccio di leva di S1 nel muscolo intatto in condizioni fisiologiche. Variazioni di lunghezza sinusoidali alla frequenza di 1kHz applicate a fibre muscolari, producono cambiamenti in IM3 approssimativamente sinusoidali ed in opposizione di fase con le oscillazioni di lunghezza e di forza. Tuttavia, a frequenze più basse (400-100Hz), compare una distorsione progressiva su IM3 con la formazione di un doppio picco e un nuovo minimo di intensità alla lunghezza minima raggiunta dalla fibra. Se la distorsione si verifica perché durante la variazione di lunghezza il braccio di leva attraversa la posizione di IM3max, la >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giovanni CECCHI Università degli Studi di FIRENZE

Obiettivo del Programma di Ricerca

Secondo la nostra ipotesi, la distorsione a doppio picco che si verifica sull'intensità della riflessione meridionale M3 (IM3) in risposta ad oscillazioni sinusoidali di lunghezza del muscolo a bassa frequenza (100-400Hz), è dovuta al fatto che a queste frequenze la rotazione del braccio di leva di S1, causata sia dal movimento attivo(power stroke) che da quello elastico passivo, ha una grandezza tale da oltrepassare il punto di massima intensità (IM3max). Se questa ipotesi è corretta è possibile calcolare la posizione media del braccio di leva durante un singolo ciclo rispetto a IM3max. Perciò attraverso lo studio delle variazioni di intensità di M3 durante oscillazioni sinusoidali di lunghezza del muscolo, purché IM3 presenti la caratteristica distorsione, è possibile misurare l'orientamento medio della testa della miosina in una data condizione sperimentale in un muscolo intatto mantenuto in condizioni fisiologiche. Tuttavia gli esperimenti effettuati fino ad adesso hanno mostrato che la distorsione è presente solo ad alta temperatura oppure con oscillazioni a bassa frequenza, condizioni queste nelle quali è prevedibile un contributo notevole della componente attiva (il power stroke) al movimento totale del braccio di leva. Rimane da verificare se è possibile ottenere la distorsione anche in condizioni sperimentali diverse. In assenza di questa verifica non si possono escludere altri meccanismi per spiegare la presenza della distorsione e la sua assenza alle alte >>>

Risultati parziali attesi

1) Ci attendiamo di verificare l'applicabilità del nostro metodo per la misura dell'orientamento del dominio del braccio di leva di S1, mediante la misura dell'intensità della riflessione meridionale M3 durante variazioni sinusoidali della lunghezza del muscolo, anche a condizioni sperimentali nelle quali il movimento attivo dovuto al power stroke è molto ridotto o assente. Questo permetterà di valutare l'ipotesi della rotazione del braccio di leva di S1 come meccanismo molecolare di generazione di forza nel muscolo scheletrico intatto in condizioni fisiologiche.
2) Ci attendiamo di definire un modello teorico che, utilizzando la struttura atomica della porzione S1 della molecola di miosina, possa permettere di calcolare le intensità delle riflessioni meridionali nelle varie condizioni sperimentali fornendo le informazioni necessarie per la corretta interpretazione dei dati.

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

I motori di miosina sono macromolecole proteiche intracellulari che funzionano come convertitori actino-dipendenti dell'energia libera derivante dall'idrolisi dell'ATP in lavoro meccanico. Esistono almeno 17 differenti classi di miosina che svolgono ruoli molto importanti per la motilità nella fisiologia cellulare, quali ad esempio la divisione cellulare, il trasporto di organelli intracellulari, l'eso e l'endocitosi, la pinocitosi, la trasduzione del suono nell'orecchio e la contrazione in tutti i tipi di tessuti muscolari (Sellers, 2000). Unica tra tutti i motori molecolari, la miosina dei muscoli striati (miosina II), si aggrega in filamenti altamente strutturati e allineati in un reticolo quasi-cristallino, che produce un caratteristico spettro di diffrazione ai raggi X. Si ritiene che il meccanismo di generazione di forza consista in una rotazione attiva (il power stroke) del dominio del braccio di leva (una proiezione di circa 9 nm di lunghezza che unisce l'actina al dominio motore della porzione 1 della molecola di miosina (S1)) durante la scissione dell'ATP nel sito catalitico del dominio motore (Huxley, 1969; Rayment et al., 1993). La rotazione sposta l'estremità del braccio di leva producendo un movimento traslazionale di circa 4-10nm o 2-5pN di forza (Finer et al., 1994; Molloy et al., 1995). La stima dell'entità della rotazione, basata sulla misura della polarizzazione della fluorescenza di appositi markers durante rapide variazioni di lunghezza, è risultata di >>>