Organizzazione inaspettata: Struttura di Fibre Muscolari di Recente Scoperta

Sezione longitudinale che illustra la configurazione a maglia all'interno del muscolo sonico in Parophidion vassali. Crediti: Marc Thiry/Università di Liegi

Ricercatori hanno appena fatto la scoperta inaspettata di una nuova organizzazione di fibre muscolari in Parophidion vassali, un pesce che vive nel Mar Mediterraneo e che, come molti pesci, utilizza muscoli specializzati per produrre suoni. Si tratta di una scoperta importante che potrebbe benissimo cambiare la nostra comprensione della contrazione muscolare.

Scienziati dell'Università di Liegi, Eric Parmentier e Marc Thiry, hanno scoperto una disposizione unica di fibre muscolari nel pesce mediterraneo, Parophidion vassali, potenzialmente rivoluzionando la nostra comprensione della contrazione muscolare. Questa unica configurazione a rete di miofibrille all'interno della fibra muscolare potrebbe permettere rapide contrazioni mantenendo la forza. Ulteriori ricerche sono necessarie per comprendere appieno questa nuova struttura di fibre muscolari e le sue implicazioni funzionali.

La storia della descrizione dei muscoli scheletrici ha le sue origini nelle osservazioni fatte dal biologo olandese Antoni van Leeuwenhoek, precursore della biologia cellulare e microbiologia che, in un articolo pubblicato nel 1712 nella Philosophical Transactions of the Royal Society, riportò, grazie all'uso di un microscopio portatile a singola lente, la prima descrizione di fibre muscolari baleniere. Nel 1840, l'anatomista William Bowman fornì una descrizione più precisa del muscolo, rilevando: "l'esistenza e la disposizione di linee alternativamente chiare e scure [...] che sono di squisita delicatezza e finitura." (Vedi "Riguardo alle Fibre Muscolari" in fondo a questo articolo.)

Successivi studi hanno portato a descrizioni sempre più chiare, incluso l'identificazione delle diverse molecole che costituiscono il muscolo e una spiegazione di come funziona, in particolare il modello di contrazione muscolare proposto dal biofisico Andrew Huxley nel 1957. Negli ultimi 300 anni, numerosi studi hanno ampliato la rappresentazione dell'organizzazione delle fibre muscolari a diversi taxa. Questo ha dimostrato che l'organizzazione generale delle fibre muscolari striate è rimasta perfettamente conservata in tutti i gruppi di animali vertebrati studiati fino ad oggi.

Figura 1. Confronto tra l'organizzazione del muscolo scheletrico "classico" con miofibrille parallele e il muscolo sonico con miofibrille a maglia in Parophidion vassali. Crediti: E. Parmentier/M. Thiry/Università di Liegi

Tuttavia, la proporzione di ciascuno di questi componenti cellulari può variare da una fibra all'altra, conferendo a queste fibre proprietà di contrazione particolari. Ad esempio, una fibra ricca di miofibrille con un reticolo sarcoplasmatico poco sviluppato si trova nei muscoli che sviluppano forza durante la contrazione. Al contrario, fibre con poche miofibrille con un'abbondanza di reticolo sarcoplasmatico e numerose mitocondri sono presenti nei muscoli che sviluppano un'accelerazione nella contrazione. I muscoli più veloci si trovano nei muscoli sonici dei pesci, dove alcune specie producono suoni utilizzando muscoli che si contraggono a una frequenza di tra 100 e 300 Hz, ovvero tra 100 e 300 cicli di contrazione/rilassamento al secondo.

Un recente studio condotto in collaborazione tra il Laboratorio di Morfologia Funzionale ed Evolutiva e il Laboratorio di Biologia Cellulare e Tessutale ha rivelato una nuova disposizione di miofibrille all'interno delle fibre di un muscolo sonico nel pesce Parophidion vassali. Invece di essere disposte in parallelo, le miofibrille formano una enorme rete all'interno della fibra muscolare, spiega il Prof Eric Parmentier, direttore del Laboratorio di Morfologia Funzionale ed Evolutiva dell'Università di Liegi.

Ogni miofibrilla si suddivide in due ramificazioni in ogni sarcomero, una che si collega alla miofibrilla sopra e l'altra che si collega alla miofibrilla sotto (Figura 1B). Questo nuovo design di fibra muscolare potrebbe risultare in un muscolo che si contrae rapidamente mantenendo la forza. La scarsità di miofibrille e l'alto volume occupato dal reticolo sarcoplasmatico sono a favore di fibre che si contraggono rapidamente.

"La struttura a rete delle miofibrille permetterebbe a più teste di mioosina di formare ponti trasversali con i miofilamenti di actina, aumentando così la forza in questo muscolo veloce", spiega il Prof Marc Thiry, Direttore del Laboratorio di Biologia Cellulare e Tessutale. "Inoltre, numerosi mitocondri insolitamente disposti all'interno delle striae Z (molto lunghe in queste fibre: 700 nm rispetto a 70-150 nm in un muscolo convenzionale) sembrano fornire l'energia necessaria per produrre suoni a lunga durata."

Questo nuovo tipo di organizzazione di fibre muscolari striate, mai descritto prima nella letteratura scientifica, e che quindi renderebbe possibile combinare forza e velocità muscolare, richiede ulteriori studi per capire come funziona e per determinare se ci sono adattamenti a livello delle diverse molecole coinvolte in questi muscoli.

Longitudinal section in a classic skeletal muscle. Credit: Marc Thiry/University of Liège

Striated skeletal muscle fibers or cells represent the elementary units of voluntary muscles (muscles that enable movements such as locomotion or posture maintenance) in animals. “Each fiber is characterized by numerous contractile elements, actin, and myosin myofilaments, organized in bundles parallel to the muscle fiber’s long axis, called myofibrils.

In the longitudinal section under the optical microscope, these fibers appear as a succession of light and dark bands located at the same level for each myofibril, giving the appearance of transverse striation to the muscle fiber. A darker line divides the light band in the middle, known as the Z striation. The portion of the myofibril between two Z striae is called a sarcomere and represents the contractile unit of the myofibril. Each myofibril is therefore made up of many sarcomeres placed end to end.

The myofibrils occupy a large cell volume and are surrounded by cisternae of the smooth endoplasmic reticulum (or sarcoplasmic reticulum), which stores the calcium essential for muscle contraction. In addition, mitochondria are located close to the myofibrils; they are the main source of ATP providing energy for muscle contraction.