Accoppiamento eccitazione-contrazione 1

MEMBRANE E STRUTTURE RESPONSABILI DELL’ACCOPPIAMENTO

EC NEL MUSCOLO SCHELETRICO:

Il reticolo TATS è una complessa rete tridimensionale formata dai tubuli T che si ramificano sia in

sistema di membrane che si approfonda all’interno delle

direzione assiale che trasversale, creando un

fibre muscolari scheletriche (come anche nei miociti), prendendo contatto con le cisterne del reticolo

sarcoplasmatico.(RS). In una rappresentazione bidimensionale e semplificata, un tubulo T trasversale

si connette con le cisterne terminali del RS, localizzate in corrispondenza delle linee Z del sarcomero.

Il reticolo sarcoplasmatico è una rete di cisterne interconnesse che avvolgono completamente le

miofibrille.

Nelle fibre muscolari

scheletriche, (che

rappresentano un disegno

base standardizzato) ogni

tubulo T si associa a due

cisterne terminali del RS

localizzate in corrispondenza

delle linee Z del sarcomero,

formando una struttura

chiamata triade. Le triadi

rappresentano le Unità di

rilascio del calcio,

giunzioni cellulari

specializzate in cui avviene

l'accoppiamento eccitazione-

contrazione (AEC). Durante

l'AEC, il potenziale d’azione

(PdA) si propaga lungo la

membrana plasmatica,

raggiunge la profondità della cellula attraverso i tubuli T dove si trovano i canali del calcio di tipo L,

noti come recettori diidropiridinici (DHPR) che sono dei recettori di tipo voltaggio-dipendente e

quindi si attivano in seguito alla depolarizzazione mediat dal pdA. I DHPR a loro volta determinano

l’attivazione i recettori rianodinici (RyR) localizzati sulle cisterne terminali del RS. Ciò provoca il

rilascio di calcio dal RS nel citoplasma. Il calcio liberato agisce come segnale biochimico che avvia

la contrazione muscolare, convertendo il segnale elettrico in un segnale chimico essenziale per il

funzionamento del muscolo scheletrico.

Muscolo scheletrico

Nel muscolo scheletrico, l’unità di rilascio del calcio è rappresentata dalla triade, composta da due

cisterne terminali del reticolo sarcoplasmatico (RS) e un tubulo T centrale. Sulla membrana del tubulo

T sono presenti i canali del calcio voltaggio-dipendenti di tipo L, noti come recettori diidropiridinici

(DHPR), che nel muscolo scheletrico appartengono all’isoforma 1.1.

I DHPR sono legati meccanicamente ai grandi canali del calcio del RS, detti recettori per la

rianodina (RyR), specificamente l’isoforma 1 nel muscolo scheletrico. Questa connessione

meccanica avviene tramite strutture chiamate piedi che si estendono nel citoplasma e trasmettono

una modifica conformazionale dal DHPR al RyR. Quando il potenziale d’azione (PdA), generato

dalla giunzione neuromuscolare, raggiunge la membrana dei tubuli T, i DHPR subiscono un

cambiamento conformazionale che si trasmette direttamente ai RyR, determinando la loro apertura e

il rilascio di calcio dal RS nel citoplasma. I canali del calcio di tipo L detti recettori per la

diidropiridina sono recettori voltaggio-sensibili per cui quando arriva la depolarizzazione vanno

incontro a una modificazione conformazionale che determina l’apertura del canale ma la corrente

del calcio attraverso

questo canale è minimale

e di incerto significato

infatti è stato dimostrato

che il muscolo scheletrico

si contrae perfettamente

anche in assenza di calcio

extracellulare quindi

quando la corrente

attraverso il recettore per

la diidropiridina è zero .

Essendo un canale

voltaggio dipendente

presenta un segmento

transmembrana nel

sottodominio che si sposta

quando cambia la differenza di potenziale di membrana , la struttura si deforma ed essendo associata

meccanicamente attraverso il piede al recettore per la rianodina trasmette questo cambiamento anche

al RyR che dallo stato chiuso ( quando potenziale di membrana è a livello di riposo ) passa allo stato

aperto grazie ad un meccanismo di accoppiamento che è puramente meccanico e non necessita di un

segnale di ingresso di Ca attraverso il canale. Nel reticolo sarcoplasmatico, il calcio è stoccato in alte

concentrazioni (~1 mM), complessato con la calsequestrina. La differenza di concentrazione tra il RS

e il citoplasma (100 nM) guida il calcio verso il citoplasma. La massiccia fuoriuscita di calcio

avviene a seguito dell'apertura dei recettori per la rianodina (RyR), attivata meccanicamente dai

recettori per la diidropiridina (DHPR) situati sulla membrana dei tubuli T. Questo rilascio di calcio

dal RS nel citoplasma attiva la contrazione muscolare. Questo meccanismo, noto come Voltage-

Dependent Calcium Release (VDCR), è caratteristico del muscolo scheletrico e si basa su un

accoppiamento meccanico diretto tra i DHPR e i RyR. Non richiede un flusso significativo di calcio

attraverso i DHPR, rendendo possibile la contrazione anche in assenza di calcio extracellulare. Nel

muscolo scheletrico, l'organizzazione delle strutture coinvolte nell'accoppiamento eccitazione-

contrazione è altamente specializzata. Ogni recettore per la diidropiridina (DHPR), organizzato in

tetradi ( 4 unità), si trova in stretta associazione con un singolo recettore per la rianodina (RyR) tramite

un’unica connessione meccanica chiamata "piede". Questa configurazione consente un

accoppiamento diretto e meccanico tra i DHPR e i RyR per il rilascio di calcio. Non tutti i RyR del

reticolo sarcoplasmatico (RS) sono direttamente associati alle tetradi dei DHPR. Alcuni RyR, definiti

recettori orfani, non presentano questa connessione diretta e il rilascio di calcio da questi RyR avviene

tramite un meccanismo differente, noto come Calcium-Induced Calcium Release (CICR). In questo

caso, l'aumento di calcio citoplasmatico stimola direttamente l'apertura dei RyR. Questo meccanismo

di CICR è l'unico possibile nel miocardio, dove l'isoforma del canale del calcio di tipo L (DHPR) non

è meccanicamente connessa ai RyR. Nel muscolo cardiaco, quindi, il rilascio di calcio richiede

l'ingresso di calcio extracellulare attraverso i DHPR, a differenza del muscolo scheletrico, dove il

rilascio avviene in modo voltage-dependent.

Muscolo cardiaco

Nel muscolo cardiaco, l’unità di rilascio del calcio è rappresentata da una diade, composta da un

tubulo T e una singola cisterna del RS. A differenza del muscolo scheletrico, i DHPR (isoforma 1.2

nel cuore) non sono collegati meccanicamente (mancano i piedi, le strutture fisiche che collegano

meccanicamente i recettori ) ai RyR (isoforma 2 nel cuore). In questo caso, il rilascio di calcio dal

RS avviene tramite un meccanismo detto Calcium-Induced Calcium Release (CICR). Quando il

PdA raggiunge i tubuli T, i DHPR si aprono, permettendo un piccolo ingresso di calcio extracellulare

nel citoplasma. Questo calcio entra in contatto con i RyR, attivandoli e provocando un rilascio

massivo di calcio dal RS. Questo processo dipende quindi direttamente dall’ingresso di calcio

extracellulare, al contrario del muscolo scheletrico.

A livello delle cisterne centrali ramificate del reticolo sarcoplasmatico (RS), sia nel muscolo

scheletrico che in quello cardiaco, si trova la pompa SERCA, responsabile del riassorbimento del

calcio. Dopo essere stato liberato per attivare la contrazione muscolare, il calcio viene reintrodotto

nel RS tramite un trasporto attivo primario mediato da questa pompa

Muscolo scheletrico: rilascio di calcio per accoppiamento meccanico (VDCR). I DHPR e i RyR sono

fisicamente collegati.

Muscolo cardiaco: rilascio di calcio indotto da calcio (CICR). I DHPR non sono collegati ai RyR e il

rilascio di calcio richiede l’ingresso di calcio extracellulare.

DHPR (Cav1.1/1.2)

canali del calcio di tipo L, detti recettori per la diidropiridina (DHPR), sono presenti sulla membrana

dei tubuli T e agiscono come recettori voltaggio-sensibili, fondamentali per guidare il processo di

Voltage-Induced Calcium Release (VICR).

Struttura: Sono etero-oligomeri costituiti da diverse subunità. La subunità principale, α1, è

• responsabile delle principali caratteristiche funzionali ed è composta da quattro domini

transmembrana, ciascuno con sei segmenti (S1-S6). Altre subunità includono: α2, una

subunità glicosilata , δ collegata alla subunità α2 tramite un legame disolfuro, β e γ, che

svolgono ruoli accessori.

Farmacologia: Sono

• bersaglio di antagonisti

e agonisti della classe

delle diidropiridine.

Queste molecole

vengono definiti

antiritmici di classe VI

o calcio antagonisti.

Organizzazione: Nel

• muscolo scheletrico, i

DHPR sono disposti in

tetradi, con l’isoforma

1.1 caratteristica di

questo tessuto. Nel

miocardio è presente

l’isoforma 1.2, che non

possiede il

collegamento meccanico diretto (il "piede") con il recettore per la rianodina (RyR), rendendo

il meccanismo di rilascio del calcio diverso rispetto a quello del muscolo scheletrico.

RYR: Recettore per la Rianodina

• Struttura: Il RyR è un grande omotetramero, costituito da 4 subunità equivalenti. Ha un peso

molecolare elevato, circa 2.3 MDa, ed è il canale ionico più grande conosciuto. La struttura

del RyR presenta una piccola parte associata alla membrana del reticolo sarcoplasmatico (in

rosso nell’immagine ), mentre la maggior parte della proteina sporge dal lato

citoplasmatico.Nel muscolo scheletrico, la parte citoplasmatica costituisce i processi

giunzionali (piedi) che si proiettano verso le tetradi dei canali del calcio (DHPR).

• Isoforme:

RyR1: presente nel muscolo scheletrico.

RyR2: presente nel miocardio.

• Funzione:Il RyR è il principale canale per il rilascio di calcio dal reticolo sarcoplasmatico nel

muscolo. Quando si apre, consente al calcio di fluire nel citoplasma, attivando la contrazione

muscolare.

• Farmacologia: Il RyR è il bersaglio di vari farmaci. Uno degli agenti farmacologici che si

lega al RyR con alta affinità è la rianodina, un alcaloide che modula l'apertura del canale.

Un altro agente che modula il RyR è la caffeina, che è un agonista. La caffeina si lega al

canale e ne determina un'apertura massiccia, aumentando il rilascio di calcio. (?)

• Modulazione: Il RyR è anche regolato dal sistema calcio-calmodulina, che influisce sulla

probabilità di apertura del canale. Il calcio che si lega a specifici siti sul versante

citoplasmatico del RyR aumenta la probabilità di apertura del canale stesso, promuovendo il

rilascio di calcio nel citoplasma.

Le isoforme di DHPR e RyR

espresse nel miocardio risultano

meno strettamente accoppiate tra

loro di quelle del muscolo

scheletrico. Nel miocardio si

hanno strutture più semplici , non

ritroviamo le tetradi come nel

muscolo scheletrico dove invece

si ha una struttu