Dentro il motore del muscolo: come le miosine trasformano chimica in movimento

Trasduzione chemomeccanica nelle miosine sarcomeriche: uno studio integrato in situ ed in vitro del motore molecolare del muscolo striato

Il muscolo striato umano sembra qualcosa di semplice: si contrae, sviluppa forza, permette di correre, respirare, afferrare una penna.

In realtà, dietro ogni singolo gesto c’è un mondo di meccanica fine e chimica di precisione, governato da minuscoli motori molecolari: le miosine sarcomeriche. Il progetto dell’Università di Firenze prova a entrare proprio lì, nel cuore di questo motore, per capire come l’energia dell’ATP diventa movimento ordinato.

La contrazione nasce dall’incontro tra due filamenti: il filamento spesso, fatto di miosina, e il filamento sottile, di actina. Sulle miosine sporgono le teste che si attaccano all’actina, idrolizzano ATP e compiono il cosiddetto “working stroke”, una piccola “remata” di pochi nanometri. Sommate a milioni di teste che lavorano insieme nel sarcomero muscolare, queste remate microscopiche diventano forza macroscopica. Quello che non è ancora chiaro, però, è come, passo per passo, la chimica dell’ATP si traduca in lavoro meccanico e come i vari motori cooperino tra loro.

Il progetto mette insieme tre gruppi di ricerca (Lombardi, Bottinelli, Tesi) per seguire il problema su più livelli, dalla singola molecola alla fibra intera. Nelle fibre muscolari intatte o demembranate si misurano forza, rigidità e accorciamento controllando con precisione la lunghezza del sarcomero. Queste misure meccaniche vengono combinate con tecniche strutturali come la diffrazione a raggi X a piccolo angolo (SAXS) in sincrotrone, per vedere come cambiano disposizione e orientamento delle teste di miosina durante contrazione, accorciamento e allungamento.

Accanto alle fibre entrano in gioco le miofibrille isolate, strutture ancora più piccole e omogenee, ideali per esperimenti in cui si possono variare in modo rapido e preciso calcio, ATP, fosfato e loro analoghi. In questo modo si osserva come cambiano la velocità di sviluppo della forza, la massima forza isometrica e la massima velocità di accorciamento quando si modificano i passaggi chiave del ciclo actomiosinico. È il modo migliore per legare i passi biochimici – rilascio di Pi, uscita dell’ADP, legame del nuovo ATP – ai passi meccanici veri e propri.

Per scendere ancora di scala, il progetto usa strumenti da fisica fine come la trappola ottica per studiare il comportamento di singole molecole o piccoli miofilamenti. Qui si misurano spostamenti dell’ordine del nanometro e forze di pochi piconewton, distinguendo più step meccanici all’interno di una stessa interazione miosina–actina. Non si tratta solo di vedere se la testa tira o no, ma di capire quanti “micro-passaggi” compongono il working stroke, come questi dipendono dal carico e che rapporto hanno con il rilascio dei prodotti dell’idrolisi dell’ATP.

Uno degli obiettivi centrali è spiegare perché esistano isoforme diverse della miosina e come questo si traduca in proprietà differenti delle fibre: lente, veloci, intermedie. A parità di struttura di base, cambiano velocità di accorciamento, consumo di ATP, efficienza. Con tecniche come la flash photolysis su proteine in soluzione e gli in vitro motility assay, in cui si osserva la velocità con cui un filamento di actina scorre su un tappeto di miosina, si prova a legare numeri biochimici precisi – ad esempio la velocità di rilascio dell’ADP – alle prestazioni meccaniche della fibra che esprime quella specifica isoforma.

Un altro tassello fondamentale riguarda la regolazione della contrazione. Nel muscolo striato l’interazione tra actina e miosina non è libera, ma controllata dal complesso troponina–tropomiosina che risponde alle variazioni di calcio. Nelle miofibrille si possono sostituire i complessi nativi con isoforme esogene o mutanti per vedere come cambia la cinetica dei cross-bridges: quanto velocemente si sviluppa la forza, come si risviluppa dopo un rapido accorciamento, come varia la massima velocità di accorciamento e la sensibilità al calcio.

Lo stesso tipo di confronto può poi essere effettuato ai livelli più bassi, sulla singola molecola e nei saggi di motilità in vitro, per chiudere il cerchio tra regolazione, struttura e funzione. In questo modo la trasduzione chemomeccanica nelle miosine sarcomeriche non resta solo un concetto astratto, ma diventa una mappa di passaggi concreti, ciascuno misurabile, modificabile e collegato a un effetto funzionale osservabile.

In sintesi, il progetto cerca di rispondere a tre domande chiave: quanta forza sviluppa ogni singola testa e come questa dipende dal carico; come i passi chimici dell’ATPasi si agganciano ai passi meccanici; come le proteine regolatorie e le diverse isoforme di miosina modulano il tutto. Capire il motore del muscolo non significa solo soddisfare una curiosità di base: vuol dire anche gettare le basi per leggere meglio miopatie, cardiomiopatie e tutte quelle malattie in cui, letteralmente, il motore molecolare non gira come dovrebbe.