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Dato che questa corrente deve tornare al punto di partenza si formano dei circuiti locali; le

cariche entranti si spostano lungo l'assone disperdendosi via via che si allontanano dal punto di

entrata.

Questo fenomeno depolarizza la zona immediatamente più a valle portando il potenziale sopra la

soglia di apertura dei canali del sodio dipendenti da voltaggio→si aprono rinnovando il potenziale

d'azione.

Nel frattempo nella zona in cui si è originato il potenziale d'azione si aprono i canali del potassio e

si inattivano quelli del sodio→si ripolarizza.

Se lo stimolo è dato artificialmente a metà dell'assone il potenziale si propaga per circuiti locali sia

a monte che a valle dello stimolo.

Il potenziale d'azione normalmente non può invece tornare indietro perché nelle zone dove è

appena passato i canali del sodio sono inattivati (non deattivati) e non sono in grado di tornare allo

stato aperto a causa della depolarizzazione causata dal potenziale delle zone più a valle. Solo

quando il potenziale si sarà allontanato a sufficienza i canali torneranno allo stato chiuso e saranno

in grado di riaprirsi a causa della depolarizzazione.

Questo meccanismo assicura che l'impulso nervoso si propaghi unidirezionalmente senza

generare effetti riverberanti all'indietro, che potrebbero essere gravemente negativi. Questa

caratteristica del potenziale d'azione si fonda proprio sulla capacità dei canali del sodio di

inattivarsi.

La velocità dell'onda di eccitazione è strettamente dipendente dalla costante di spazio, una

costante maggiore significa una depolarizzazione uguale a maggior distanza. Dato che la costante

di spazio dipende dalla resistenza interna e quest'ultima è funzione del diametro dell'assone,

risulta vantaggioso avere assoni di grandi dimensioni.

Il calamaro è infatti dotato di assoni giganti che innervano i muscoli del mantello, che servono a

scappare dai predatori. Il limite degli assoni giganti sono le dimensioni: un movimento finemente

controllato ha bisogno di centinaia di assoni, un nervo formato solo da assoni giganti avrebbe

dimensioni enormi.

Propagazione saltatoria

Gli assoni giganti sono limitati e quindi nell'evoluzione ha prevalso una seconda strategia che

permette di velocizzare molto la conduzione senza comportare un eccessivo ingombro.

Si aggiunge infatti una guaina isolante: la mielina, formata dalle cellule della glia che avvolgono

moltissime volte la propria membrana sugli assoni. La mielina è interrotta nei nodi di Ranvier,

tratti non isolati.

Negli internodi si ha un ottimo isolamento elettrico e i canali ionici sono molto pochi, nei nodi di

Ranvier invece i canali sono molto abbondanti e l'isolamento è minore.

Il forte isolamento delle regioni mielinizzate incrementa la costante di spazio, che può raggiungere

i 3 mm: l'impulso elettrico può trasmettersi passivamente per lunghe distanze ed avere ancora

forza sufficiente a scatenare il potenziale d'azione.

In questo modo la riproduzione del potenziale d'azione avviene molte meno volte, aumentando

molto la velocità; inoltre il dispendio energetico diminuisce in quanto ci sono meno zone in cui le

concentrazioni ioniche devono essere riportate ai valori di riposo dai trasporti attivi.

Canali

I canali transmembrana voltaggio dipendenti del sodio sono costituiti da una grossa subunità α

associata ad altre proteine, come la subunità β.

La subunità α ha quattro domini ripetuti, detti I, II, III, IV, ognuno di essi contiene sei regioni trans-

membrana, dette S1, 2, 3, 4, 5 e 6. 19 di 42

Tra le regioni S5 e S6 di ogni subunità si trova un loop, l'ansa P che è ripiegata verso l'interno del

canale e rappresenta il filtro selettivo.

La regione S4 presenta moltissimi amminoacidi basici, che sono quindi carichi positivamente,

inoltre è estremamente conservata nell'evoluzione→è il sensore del voltaggio di questi canali.

I canali del calcio hanno struttura omologa, i canali voltaggio dipendenti del potassio anche, ma

sono formati da 4 catene polipeptidiche distinte, che si aggregano formando una struttura

tetramerica del tutto analoga al canale del sodio.

Meccanismi di apertura e chiusura dei canali

I meccanismi di apertura e chiusura dei canali di membrana vengono studiati con il patch clamp,

una tecnica che consiste nell'isolare un canale con una pipetta. Analizzando le correnti del singolo

canale e tenendo i parametri cellulari costanti si trova che la corrente che passa attraverso il

canale ha due livelli tra cui si muove frequentemente: un livello zero (non c'è flusso di ioni) e un

livello di pochi picoampere.

Questo comportamento è comune a tutti i canali ed indica che ci sono almeno due stati

conformazionali in cui il canale può trovarsi: uno stato chiuso e uno stato aperto.

Analizzando un canale col patch clamp si trova una notevole variabilità nella durata di aperture e

chiusure, dunque non è possibile prevedere quanto tempo un canale rimarrà in uno stato

funzionale: si parla di probabilità di trovare un canale in una certa conformazione.

Per studiare la distribuzione delle probabilità si misura per lungo tempo l'attività del canale e si

trova che le aperture e chiusure di breve durata sono le più frequenti→più lunga è un'apertura o

una chiusura, meno probabile è. La distribuzione è ben rappresentata da questa funzione:

−t

τ

N (t)=A∗e

Dove N è il numero di aperture che hanno una durata t, si noti che N è inversamente proporzionale

a t (più lunga è la durata meno aperture o chiusure si avranno). A e τ sono due costanti tipiche del

canale che stiamo studiando.

Particolarmente interessante è τ, la costante di tempo, che rappresenta il tempo in cui la

distribuzione raggiunge il 37% del valore iniziale. Valori grandi di τ indicano che le durate degli

eventi analizzati sono mediamente elevate, valori piccoli indicano che le durate sono mediamente

brevi.

Teoria dello stato di transizione

Questa teoria assume che i cambiamenti di permeabilità agli ioni dei canali si possano interpretare

come cambiamenti della loro conformazione tridimensionale. Quindi le transizioni tra stato chiuso e

stato aperto si possono descrivere come una qualunque reazione chimica: C↔O.

Dove C sta per closed e O sta per open. Si hanno poi α e β, le costanti di velocità di apertura e

chiusura (rispettivamente) che rappresentano il numero di transizioni che in media avvengono

nell'unità di tempo. Queste due costanti si possono anche definire come probabilità che una

determinata transizione avvenga, in accordo con la natura casuale del processo.

Un parametro molto importante e molto usato è p (pi zero), la probabilità di apertura del canale.

0

Questa è definita come la frazione di tempo in cui un canale ionico è aperto, assume valori tra 0 e

1 dove 0 indica che il canale è sempre chiuso e 1 indica che è sempre aperto.

Per calcolare sperimentalmente la p di un canale si registra l'attività del canale e si divide il tempo

0

in cui il canale era aperto per il tempo totale di registrazione.

Da un punto di vista energetico invece la p0 dipende dalla differenza dei livelli di energia G e G

O C

posseduti dallo stato aperto e dallo stato chiuso; non dipende dall'energia G* dello stato di

transizione. 20 di 42

Si trova che il tempo in cui il canale rimane aperto (tO) ha questa relazione rispetto al tempo in cui

( )

−G −G

O C

t =t ∗exp

il canale resta chiuso (tC): O C kT

Dove k è la costante di Boltzmann e T la temperatura assoluta. exp sta per "e alla".

t 1

O

t p = =

O 0 t t

p + G

= ( )

−G

O C

Dato che si trova che

0 O C

t t 1+exp

+

O C kT

Cinetica di gating dei canali

Se cambiamo le condizioni sperimentali, come ad esempio il potenziale di membrana, si trova che

p cambia. Dato che nei canali voltaggio dipendenti GO-GC dipende dal voltaggio, l'equazione

0 1

p =

0 e E−E

( )

( )

−z

suscritta si può scrivere come g 1 /2

1+exp kT

Dove e è la carica elementare, zg è la carica del sensore del voltaggio nel segmento S4 e E è il

1/2

potenziale di mezza attivazione, cioè il potenziale per cui p è 0,5. E è il potenziale.

0

Più la carica del sensore di voltaggio (zg) è piccola, meno il canale è sensibile a piccoli

cambiamenti di potenziale: l'attivazione del canale richiede cambiamenti di voltaggio elevati.

Sensore di voltaggio

Il sensore di voltaggio è una struttura carica positivamente, questo si muove nella direzione del

campo elettrico facendo cambiare conformazione al canale; dato che è carico positivamente si

muoverà verso il lato negativo della membrana, cioè l'interno in condizioni di riposo.

Questo è stato dimostrato con esperimenti di mutagenesi sito specifica: hanno preso un canale del

sodio regolato da voltaggio e lo hanno mutato in modo da sostituire gli AA cariche della regione S4

con amminoacidi neutri.

Si è visto che in questo modo zg, cioè la voltaggio dipendenza, calava e il canale diventava meno

sensibile al voltaggio→ha provato che è il sensore del voltaggio.

Cinetica di rilassamento

La cinetica di rilassamento è la velocità con cui p cambia nei canali voltaggio dipendenti in seguito

0

a variazioni del potenziale.

Prendiamo un canale voltaggio dipendente del potassio e analizziamolo col patch clamp. Se lo

stimoliamo ripetutamente depolarizzandolo troviamo che tende ad aprirsi, anche se come sempre

l'apertura e chiusura del canale è casuale. Dalle curve ottenute possiamo però ottenere una media

della velocità con cui il canale si apre in seguito allo stimolo depolarizzante→ensemble average.

Con una variante della tecnica del patch clamp, cioè la configurazione whole cell, riusciamo a

misurare la corrente macroscopica, somma di tutte le correnti microscopiche che passano

attraverso tutti i canali presenti nella membrana. Se diamo uno stimolo depolarizzante si trova una

traccia di corrente simile a quella ottenuta dall'ensemble average fatto su un singolo canale.

21 di 42

La cinetica di rilassamento del canale ha andamento sigmoidale: la velocità di apertura all'inizio

dello stimolo è piccola, poi sale e successivamente diminuisce nuovamente adagiandosi su un

valore massimo.

Si pensa che ogni subunità del canale debba passare da una configurazione non permissiva ad

una permissiva perché gli ioni possano passare.

Per ogni subunità vale la cinetica del primo ordine

Dove N rappresenta la configurazione non permissiva e P quella permissiva, α e β sono le costanti

dei due passaggi di conformazione.

In accordo con le leggi cinetiche del primo ordine, la cinetica con cui una subunità passa nella

conformazione permissiva può essere descritta da questa equazione differenziale:

Dove np è la frazione di canali nello stato P (permissivo).

Integrando questa espressione dall'inizio dello stimolo depolarizzante (cioè quando tutte le

subunità sono in conformazione N) fino al tempo t otteniamo:

Poiché il canale ha quattro subunità la cinetica di attivazione del canale sarà un prodotto della

cinetica di attivazione delle quattro subunità:

Anche questa cinetica ha un andamento sigmoidale.

Filtro di selettività

Il filtro di selettività è formato dalle anse P dei 4 domini omologhi (o subunità per i canali del

potassio).

Non è un setaccio molecolare ma un ma un setaccio elettrostatico: lo ione si sveste delle molecole

d’acqua e interagisce con i residui aminoacidici con carica negativa.

Quindi l'energia libera (ΔG) della deidratazione deve essere maggiore dell'energia libera del

legame tra lo ione e il gruppo carbossilico dell'amminoacido:

Potenziale cardiaco

Per quanto riguarda il sistema di eccitazione e di conduzione del potenziale d'azione all'interno del

cuore troviamo un comportamento leggermente differente rispetto alle altre cellule del corpo;

all'interno del cuore troviamo due tipi di sviluppo del potenziale elettrico: uno riguarda le fibre atriali

e ventricolari, un altro riguarda le cellule del nodo seno-atriale (o cellule del pacemaker).

Questo comportamento particolare ha una spiegazione fisiologica: le fibre atriali e ventricolari

devono comportarsi in maniera simile alle fibre muscolari, ma dovranno anche assicurare un alto

rendimento della pompa cardiaca; il nodo seno-atriale si comporta in maniera diversa da qualsiasi

altra fibra, poiché deve assicurare principalmente la generazione del potenziale d'azione. 22 di 42

Comportamento delle fibre muscolari atriali e ventricolari

Il comportamento delle fibre atriali e ventricolari è molto simile a quello di ogni altra cellula

muscolare o nervosa, soprattutto per quello che riguarda il potenziale di riposo, mentre si

differenzia di più nello sviluppo del potenziale d'azione.

Come nelle altre fibre muscolari, anche qui il potenziale di membrana è di circa -90 mV.

Questo potenziale di membrana è dovuto alle differenti concentrazioni degli ioni; in particolare, per

mantenere costante il potenziale di riposo notiamo la presenza di due pompe ioniche:

• La prima, quella presente anche nelle fibre nervose, è quella sodio-potassio, che, tramite

l'utilizzo di un ATP permette di regolare la concentrazione di questi due ioni.

• La seconda è lo scambiatore sodio-calcio (trasporto attivo secondario) che con l'energia

+ 2+

prodotta dall'entrata di due ioni Na fa uscire dalla cellula un Ca . L'energia è fornita

+

indirettamente da ATP che tiene bassa la concentrazione di Na .

Le fibre di conduzione atriali e ventricolari presentano delle

risposte di tipo rapido.

L'ampiezza del potenziale d'azione è di circa 105 mV, il che

porta ad avere un picco del potenziale di circa 20 mV. Esso è

maggiore che nella maggior parte delle cellule muscolari,

perché deve essere in grado di far rendere al massimo la

pompa cardiaca.

Il potenziale d’azione è costituito da cinque fasi:

• +

FASE 0: (di depolarizzazione rapida), dovuta quasi esclusivamente all’ingresso di ioni Na ,

grazie all’apertura di specifici canali per il Na. Questi canali possiedono due barriere, la

barriera m o di attivazione, che si apre quando il potenziale di membrana diviene meno

negativo, e la barriera h o di in-attivazione, che si chiude quando il potenziale diviene

anche in questo caso meno negativo.

Le barriere m hanno un tempo di apertura di 1-2 millisecondi, mentre le barriere h

impiegano 30-40 millisecondi a chiudersi, consentendo così al sodio di entrare nella cellula.

L’ingresso di sodio rende il potenziale meno negativo, così che continuamente nuovi canali per il

Na si aprano, aumentando il flusso (potenziale rigenerativo), fino ad un valore (-40mV), in cui tutti i

canali Na si aprono; l’ingresso di Na rende l’interno della cellula positivo e l’esterno negativo,

questa inversione della polarità di membrana è definita overshoot.

Il flusso di Na si arresta poi con la chiusura delle barriere h.

• FASE 1 (ripolarizzazione precoce): si ha una breve ripolarizzazione parziale dovuta ad

una corrente transitoria in uscita di K e ad un aumento della permeabilità al Cl.

• FASE 2 (plateau): durante questa fase si ha ingresso di calcio attraverso canali appositi

definiti long lasting (LL), cioè si attivano e disattivano molto lentamente, sono anch’essi

regolati dal voltaggio e si aprono quando il potenziale diviene meno negativo.

Si ha il plateau quando l’ingresso di ioni Ca eguaglia la fuoriuscita di ioni K.

• FASE 3 (ripolarizzazione finale): quando i canali Ca si chiudono continua la fuoriuscita di

K, in questo modo l’interno della cellula diventa man mano negativo, mentre l’esterno

diviene positivo.

• FASE 4 (ripristino): nell’ultima fase si ha il ripristino delle concentrazioni ioniche ai valori di

riposo, mediante tre principali pompe ioniche: pompa sodio potassio, scambiatore sodio

calcio e una Ca - ATP-asi, che espelle ioni calcio mediante idrolisi di ATP. 23 di 42

La refrattarietà è dovuta alla chiusura delle barriere h dei canali Na.

La completa eccitabilità non viene ristabilita fino a quando non si ha completa ripolarizzazione del

miocita, questo intervallo che segue il Periodo Refrattario Assoluto è chiamato Periodo Refrattario

Relativo.

Questo periodo è indispensabile per il corretto funzionamento del cuore, poiché permette un alto

rendimento della funzione di pompa del cuore, in quanto il ventricolo può riempirsi completamente

di sangue prima di eseguire un'altra contrazione; inoltre permette di avere una netta distinzione tra

fase pulsoria (sistole) e fase di riposo (diastole), in maniera tale da permettere l'apporto di sangue

attraverso le coronarie, che può avvenire solo in fase diastolica.

Comportamento delle cellule pacemaker

È nelle cellule pacemaker che nasce lo stimolo cardiaco vero e proprio.

Il comportamento di queste cellule differisce in maniera consistente rispetto a quella di ogni altra

cellula e il comportamento elettrico ha delle modalità particolari.

La particolarità delle "cellule pacemaker" è proprio quella di non avere un vero e proprio potenziale

di riposo.

Tra un potenziale d'azione ed un altro si registra una progressiva depolarizzazione della cellula

partendo da un valore di circa -65 mV; la depolarizzazione prosegue verso lo zero, come se

dovesse raggiungere un potenziale di riposo, ma prima che si possa stabilizzare raggiunge il

potenziale soglia (-50 mV), dopo il quale parte il picco del potenziale d'azione.

Complessivamente, riconosciamo le cellule pacemaker per questi motivi: generazione spontanea

dell'impulso, mancanza di potenziale di riposo, alto valore del potenziale di membrana e

maggior frequenza nell'insorgenza dei potenziali d'azione.

Per quanto riguarda il potenziale d'azione di queste cellule, si tratta a grandi linee di un normale

potenziale d'azione, anche se parte da valori più alti e con una frequenza maggiore.

Corrente funny

Corrente funny o corrente delle cellule pacemaker si riferisce ad una corrente elettrica

transmembrana nel cuore, che causa i potenziali d'azione spontanei e ripetuti delle cellule del

pacemaker.

La corrente "funny" o "pacemaker" è espressa in cellule del cuore che mostrano attività elettrica

spontanea, come il nodo senoatriale (il pacemaker naturale del cuore), il nodo atrioventricolare

(AVN) e le cellule di Purkinje del tessuto di conduzione.

Elemento particolarmente inusuale, la corrente "funny" è una corrente costituita da un flusso

misto di sodio e potassio, lento e diretto verso l'interno della cellula, con intensità maggiore per

valori di potenziale di membrana compresi fra-60/-70 mV e -40 mV.

Quando al termine del potenziale d'azione la membrana delle cellule del nodo senoatriale si

ripolarizza al di sotto della soglia della corrente funny (circa -40/-50 mV), la corrente "funny" si

attiva e ricomincia la depolarizzazione diastolica (DD): il potenziale va sopra soglia e si ha un

nuovo potenziale d'azione!

Attraverso questo meccanismo, la corrente "funny" controlla la frequenza dell'attività spontanea dei

miociti senoatriali e quindi la frequenza cardiaca.

La corrente Funny viene attivata dai nucleotidi ciclici: l'adenosina monofosfato ciclico (cAMP) si

lega direttamente al canale responsabile della corrente ed incrementa la probabilità che esso si

apra, mantenendo l'attivazione del canale per valori più positivi del potenziale di membrana→

rende più precoce la depolarizzazione diastolica e incrementa la velocità del battito cardiaco.

Il sistema nervoso simpatico produce noradrenalina che aumenta la concentrazione endocellulare

di cAMP aumentando la frequenza del battito cardiaco; il sistema nervoso parasimpatico invece

24 di 42

produce acetilcolina che riduce la concentrazione endocellulare del cAMP, rallentando il battito

cardiaco. Sinapsi

La sinapsi (o giunzione sinaptica) è una struttura altamente specializzata che consente la

comunicazione delle cellule del tessuto nervoso tra loro (neuroni) o con altre cellule (cellule

muscolari, sensoriali o ghiandole endocrine).

Dal punto di vista funzionale, esistono due tipi di sinapsi: le sinapsi elettriche e le sinapsi chimiche.

Nei vertebrati superiori prevalgono le sinapsi di tipo chimico.

Sinapsi elettriche

Nella sinapsi elettrica, una cellula eccitabile ed un neurone sono tra loro connesse mediante una

giunzione comunicante detta anche gap junction. In genere le sinapsi elettriche, al contrario di

quelle chimiche, consentono la conduzione in entrambe le direzioni ma esistono anche sinapsi

elettriche che conducono preferenzialmente in una direzione piuttosto che nell’altra: questa

proprietà prende il nome di rettificazione.

Dato che le cellule sono connesse da gap junction c'è continuità citoplasmatica tra cellula pre- e

post-sinaptica. Si ha un passaggio diretto di correnti ioniche dalla prima cellula alla seconda,

questo da una trasmissione del segnale virtualmente istantanea.

Queste sinapsi hanno il grande difetto di poter essere solo eccitatorie, infatti la corrente ionica

può solo causare il potenziale d'azione nella cellula postsinaptica.

In molti casi la sinapsi elettrica viene utilizzata per sincronizzare più neuroni ed ottenere una

risposta molto rapida.

Sinapsi chimiche

Nella sinapsi chimica non c'è connessione diretta tra i citoplasmi della cellula pre- e postsinaptica.

Quando il potenziale d'azione arriva al termine della fibra presinaptica induce l'entrata di Ca2+

nella cellula. L'aumento di concentrazione del calcio favorisce l'esocitosi di un neurotrasmettitore,

contenuto in numerose vescicole. Il neurotrasmettitore si lega a dei recettori della cellula

postsinaptica e causa direttamente o indirettamente l'apertura di canali ionici.

+

Se i canali fanno entrare cationi (ad esempio Na ) lo stimolo sarà depolarizzante ed eccitatorio:

-

induce la risposta nella cellula postsinaptica. Se i canali fanno entrare anioni (ad esempio Cl ) lo

stimolo sarà iperpolarizzante ed inibitorio: inibirà la risposta della cellula postsinaptica.

Il neurotrasmettitore in eccesso viene degradato enzimaticamente o rapidamente rimosso dallo

spazio sinaptico.

Sinapsi chimiche dirette (o rapide): il neurotrasmettitore si lega a recettori ionotropi sulla

membrana della cellula postsinaptica, questi recettori sono canali ionici ligando dipendenti che si

aprono in presenza del neurotrasmettitore.

Sinapsi chimiche indirette (o lente): il neurotrasmettitore si lega a recettori metabotropi che

promuovono la sintesi di secondi messaggeri intracellulari, questi agiscono sui canali

determinandone l'apertura o la chiusura. I secondi messaggeri possono anche modulare l'attività

dei canali ionici.

L'esperimento di Loewi: i neurotrasmettitori

Loewi sapeva che la stimolazione del nervo vago causava un rallentamento cardiaco, la questione

era se questo fosse il diretto risultato di uno stimolo elettrico o l'indiretto risultato di un effetto

chimico.

L'ingegnoso esperimento di Loewi (che a suo dire gli venne in sogno) comprendeva il cuore di una

rana inserito in un recipiente con soluzione fisiologica ossigenata. 25 di 42

Il recipiente era collegato ad un secondo recipiente contenente un altro cuore anch'esso immerso

in soluzione fisiologica.

Loewi stimolò il nervo vago del primo cuore per produrvi un rallentamento del battito e poté

osservare che anche il secondo cuore dopo un certo ritardo rallentava.

Loewi formulò l'ipotesi che la stimolazione elettrica che aveva rallentato il primo cuore rilasciasse

nella soluzione una sostanza chimica che fluendo nel secondo recipiente rallentava anche il

secondo cuore (il ritardo nella comparsa dell'effetto esclude una propagazione di tipo elettrico).

Egli chiamò questa sostanza "vagusstoff", oggi sappiamo che questa sostanza chimica è un

neurotrasmettitore chiamato acetilcolina.

Ritardo sinaptico

Intervallo di tempo che intercorre tra l'arrivo di un impulso nervoso alla membrana presinaptica di

una sinapsi e la generazione di un potenziale d'azione nella fibra postsinaptica. Normalmente è

dell'ordine di 1-2 ms.

Si ritiene che il ritardo sinaptico corrisponda al tempo necessario per la trasmissione chimica

dell'impulso nervoso a livello della sinapsi. Il ritardo sinaptico nelle sinapsi chimiche rapide è di

circa 1ms.

Nelle sinapsi elettriche non c'è ritardo sinaptico, in quanto non c'è alcun mediatore: il potenziale

d'azione passa direttamente da una cellula all'altra.

Giunzione neuromuscolare

È la sinapsi tra un neurone e una fibra muscolare ed è facile da studiare perché la fibra muscolare

è grande. È una sinapsi chimica strutturata in questo modo: la membrana della fibra muscolare è

pieghettata, sulla superficie si trovano i canali cationici dipendenti dall'acetilcolina

(neurotrasmettitore), nelle pieghe invece troviamo acetilcolina - esterasi (un enzima che

distrugge l'acetilcolina).

Il nervo emette molta acetilcolina per aprire molti canali cationici, ma l'acetilcolina in eccesso deve

essere tolta di mezzo velocemente per non bloccare i canali in forma aperta.

Acido acetico e colina (che derivano dalla distruzione del neurotrasmettitore) vengono riportati

nella fibra presinaptica e ritrasformati in acetilcolina.

Vediamo i meccanismi ionici del potenziale di placca più in dettaglio: +

I canali attivati da acetilcolina sono aspecifici, fanno passare cationi. Na entra nella fibra

+

muscolare a causa del gradiente di concentrazione ed elettrico e K esce per gradiente di

concentrazione, questo avviene contemporaneamente! (non come nel potenziale d'azione)

Dato che Na+ entra più velocemente di quanto esca K+ si ha una depolarizzazione da -90mV a

-40mV. Questa depolarizzazione è soprasoglia, ma non scatena potenziale d'azione in quanto

nella placca motrice non sono presenti canali del sodio voltaggio dipendenti: potenziale locale.

I canali del sodio voltaggio dipendenti sono però presenti nella regione di membrana adiacente: gli

ioni Na+ diffondono a causa della differenza di potenziale tra la regione della giunzione (-40mV) e

la regione adiacente (-90mV), per circuiti locali.

Questa depolarizzazione è sufficiente per scatenare il potenziale d'azione.

Qui basta un neurone per far contrarre la fibra, nelle sinapsi interneuroniche non è vero: ci

vogliono molti stimoli presinaptici per far scatenare un potenziale d'azione postsinaptico.

Studiare il potenziale di placca non è semplice in quanto questo viene deformato dal potenziale

d'azione. Il curaro ci permette di studiarlo: questo infatti compete con l'acetilcolina per il sito di

legame sui canali cationici.

Usando il curaro riusciamo a ridurre il potenziale di placca e a portarlo sottosoglia→non si scatena

il potenziale d'azione. 26 di 42

L’identificazione degli ioni responsabili della corrente sinaptica è avvenuta attraverso esperimenti

di blocco del voltaggio, nei quali si determinava il potenziale di inversione e, quindi, il valore di

E per il flusso di corrente che attraversa i canali ionici, secondo la relazione

EPSP

I =g (Vm−E )

EPSP EPSP EPSP

dove I è la corrente postsinaptica che determina il potenziale postsinaptico eccitatorio, g è la

EPSP EPSP

conduttanza dei canali attivati da Ach, Vm è il potenziale di membrana, E è la forza motrice

EPSP

chimica dipendente dai gradienti di concentrazione degli ioni che attraversano i canali per

l’acetilcolina.

Gli esperimenti con patch clamp sui canali dipendenti da acetilcolina hanno mostrato che la

corrente sinaptica che attraversa i recettori nicotinici per l’acetilcolina diventa nulla se si impone un

potenziale di membrana di 0 mV. Questo potenziale viene chiamato potenziale di inversione.

Un potenziale di inversione di 0 mV non corrisponde né al potenziale di equilibrio del potassio E K

né a quello del sodio E .

Na

In effetti, i recettori nicotinici per l’acetilcolina hanno permeabilità mista sodio-potassio.

Oltre a suggerire quali ioni formino la corrente sinaptica, il fatto che il potenziale di inversione sia 0

mV ci indica anche la natura eccitatoria della sinapsi neuromuscolare: infatti, se il potenziale di

membrana fosse minore di 0 mV, la f.e.m. spingerebbe le cariche positive che attraversano i canali

aperti dall’acetilcolina ad entrare fino a che Vm non raggiungesse il valore del potenziale di

inversione.

A quel valore la f.e.m. (forza elettromotrice) si annullerebbe e di conseguenza si annullerebbe

anche la corrente sinaptica.

Ciò significa che l’attivazione di questa sinapsi tende a portare il potenziale di membrana a 0 mV,

un valore molto superiore al valore soglia per l’innesco del potenziale di azione e, in definitiva, ad

aumentare la probabilità che la cellula postsinaptica generi un potenziale di azione.

È quindi evidente che l’azione eccitatoria o inibitoria di un neurotrasmettitore dipende dal tipo di

recettore sinaptico cui esso si lega ed in particolare dal potenziale di inversione della corrente

sinaptica che da esso è determinata.

Liberazione quantale del mediatore chimico

La liberazione dei neurotrasmettitori a livello delle sinapsi avviene sottoforma di pacchetti

elementari, detti quanti, ciascuno dei quali determina la comparsa di un potenziale postsinaptico di

ampiezza costante, detto potenziale sinaptico quantale. Il potenziale sinaptico totale è dato da

un numero finito di questi ultimi.

I quanti di mediatore chimico corrispondono in realtà alle vescicole presenti nella fibra

presinaptica.

Registrazioni da placche neuromuscolari di Rana, a riposo, effettuate da Fatt e Katz, mostrarono la

presenza di potenziali di placca in miniatura.

In assenza di stimolazione, questi si presentano a intervalli casuali: compaiono quando una

vescicola urta casualmente contro la membrana presinaptica e libera il suo contenuto nella fessura

sinaptica.

Un potenziale di placca in miniatura rappresenta una piccola risposta depolarizzante di ampiezza

0,5 mV, caratterizzata da un andamento temporale analogo ai potenziali di placca e da analoghe

reazioni ad agenti farmacologici (esaltazione da prostigmina e riduzione da tossine).

Ulteriori ricerche furono in grado di dimostrare che i potenziali in miniatura devono essere il

risultato dell’apertura di più di un canale regolato da acetilcolina.

Katz e Miledi trovarono che l’entità della corrente elementare prodotta dall’interazione di

acetilcolina con un solo recettore-canale è 2000 volte più piccola della corrente generata da un

potenziale d'azione in miniatura. 27 di 42

Considerando che occorrono due molecole di acetilcolina per attivare ogni recettore e che una

parte diffonde fuori della terminazione o viene idrolizzata dall’acetilcolina-esterasi, per produrre un

potenziale di placca in miniatura dovrebbero essere necessarie almeno 5000 molecole di

acetilcolina (più verosimilmente da 10000 a 40000, dato anche il carattere probabilistico

dell’interazione acetilcolina-recettore). 2+

Inoltre Del Castillo e Katz, riducendo la concentrazione di Ca nella soluzione d’incubazione di

una giunzione neuromuscolare, osservarono che il potenziale di placca evocato da un potenziale

d’azione presinaptico (normalmente 70 mV) si riduceva fino a scomparire al diminuire della

concentrazione dei cationi. 2+

Gli stessi esperimenti dimostrarono che variazioni della concentrazione extracellulare di Ca non

hanno effetto sulle dimensioni del quanto di neurotrasmettitore liberato, bensì sul numero medio di

quanti che vengono liberati in risposta all’arrivo di un potenziale d’azione.

2+

Quando la concentrazione esterna di Ca è normale, l’arrivo di un potenziale d’azione presinaptico

determina la liberazione di circa 150 quanti di neurotrasmettitore, che innescano una

depolarizzazione nella fibra muscolare di 0,5 mV ciascuno, ovvero un potenziale di placca +

complessivo di ampiezza prossima ai 70 mV, normalmente sufficiente per attivare i canali Na

voltaggio dipendenti localizzati nelle pieghe giunzionali e dare origine a un potenziale d’azione.

Ruolo del calcio nella liberazione del mediatore chimico

La neurotrasmissione dipende strettamente dall'ingresso di calcio nel terminale presinaptico, si è

infatti visto che la rimozione del calcio nel mezzo extracellulare porta alla riduzione e alla

soppressione della neurotrasmissione.

Nel terminale presinaptico si trovano molti tipi di canali ionici che permettono l'ingresso regolato di

calcio in modo da controllare la liberazione di neurotrasmettitore. 2+

Quando il potenziale di membrana sale i canali si aprono determinando un ingresso di Ca .

Questo ingresso è limitato nel tempo dall'inattivazione dei canali del calcio e dall'attivazione di

quelli del potassio.

Plasticità a breve termine

Durante la neurotrasmissione ripetitiva, le EPSC possono mostrare modifiche di ampiezza che

vengono collettivamente definite plasticità a breve termine.

La facilitazione sinaptica rappresenta un aumento progressivo dell’ampiezza della risposta

2+

sinaptica e dipende dall’accumulo di Ca presinaptico durante la stimolazione ripetitiva.

2+

L’estrusione di Ca dopo il primo stimolo non è completa se non dopo alcune decine di

millisecondi. 2+

Il meccanismo di liberazione, che è Ca -dipendente, viene perciò facilitato.

La depressione sinaptica consiste in una progressiva diminuzione dell’ampiezza della risposta

sinaptica che tende infine a uno stato stazionario ridotto.

La depressione dipende principalmente dal fatto che la velocità di ripristino delle vescicole è

limitata.

All’arrivo del secondo impulso (entro centinaia di millisecondi), alcune delle vescicole utilizzate

possono non essere disponibili.

Integrazione neuronale 28 di 42

Un riflesso è il risultato motorio di una risposta del sistema nervoso ad uno stimolo sensitivo

periferico. Il riflesso più semplice è quello spinale, detto anche miotatico o riflesso da

stiramento.

Lo stimolo è rappresentato dalla rapida estensione del muscolo, la risposta si manifesta con una

contrazione involontaria del muscolo stesso.

Il riflesso è regolato a livello del midollo spinale, ma è modulabile (inibito o aumentato) dai centri

sovrassiali a seconda del contesto e dell'utilità funzionale dello stesso.

I recettori che trasformano lo stimolo (estensione del muscolo) in potenziale d'azione sono i

cosiddetti fusi neuromuscolari: lo stiramento provoca una deformazione delle fibre del fuso e

delle terminazioni afferenti ad esse associate→si ha potenziale d'azione che va a stimolare il

motoneurone che innerva il muscolo stesso→il muscolo si contrae.

Inoltre le fibre che provengono dal fuso neuromuscolare sinaptano con un neurone intercalare che

inibisce il motoneurone che arriva al muscolo antagonista.

Sinapsi interneuroniche

Sommazione spaziale: prendiamo due fibre che arrivano allo stesso neurone, che singolarmente

non sono in grado di portare il potenziale soprasoglia e quindi di creare il potenziale d'azione. Se

queste fibre stimolano contemporaneamente il neurone le depolarizzazioni si

sommano→potenziale d'azione.

Sommazione spaziale: prendiamo una fibra che arriva a un neurone e che con un potenziale

presinaptico non è in grado di scatenare il potenziale postsinaptico. Se si hanno due stimolazioni in

tempi brevissimi questi possono scatenare il potenziale postsinaptico. 29 di 42

Divergenza: Il glutammato è il più comune neurotrasmettitore eccitatorio presente nel cervello,

mentre il GABA è il più comune trasmettitore inibitorio.

Ogni singolo neurotrasmettitore può avere molteplici effetti, infatti una molecola di glutammato è in

grado di legarsi a tutti i numerosi tipi di recettori per il glutammato, e ciascun recettore può dare

origine ad un effetto diverso.

L’abilità di un trasmettitore di attivare più di un sottotipo di recettore, e di provocare più di un tipo di

risposta post sinaptica, viene denominata divergenza.

A causa dell’elevato numero di sottotipi di del recettore, un trasmettitore può influenzare molti

neuroni (o persino differenti parti dello stesso neurone) con varie modalità.

Un singolo neurone con assone biforcato può quindi mandare alle due sinapsi lo stesso

neurotrasmettitore, che però attiverà diversi canali. È quindi possibile che da una parte inibisca la

risposta e dall'altra parte ecciti.

Convergenza: più fibre presinaptiche convergono su una cellula postsinaptica.

Quando il neurotrasmettitore si lega al recettore della membrana postsinaptica può dare luogo a

depolarizzazioni chiamate potenziali postsinaptici eccitatori, oppure ad iperpolarizzazioni dette

potenziali postsinaptici inibitori.

La natura del potenziale postsinaptico in una data sinapsi è determinata non dal neurotrasmettitore

in sé, ma dal tipo di canale ionico aperto dal neurotrasmettitore stesso.

La maggior parte dei potenziali postsinaptici eccitatori è causata dall’apertura dei canali per il

+

sodio, l'ingresso di Na causa infatti la depolarizzazione della membrana.

La maggior parte dei potenziali postsinaptici inibitori è causata dall’apertura dei canali per il

potassio, infatti l’uscita di ioni potassio induce una iperpolarizzazione della membrana.

Alcuni potenziali postsinaptici inibitori sono indotti dall’apertura dei canali per il cloro, infatti l’entrata

di ioni cloro induce una iperpolarizzazione della membrana.

Inibizione presinaptica: viene inibita la fibra presinaptica.

Inibizione postsinaptica: viene inibito la cellula postsinaptica.

In alcuni invertebrati si hanno entrambe.

Sistema nervoso Autonomo

Il sistema nervoso autonomo, conosciuto anche come sistema nervoso vegetativo o viscerale, è

quell'insieme di cellule e fibre che innervano gli organi interni e le ghiandole, controllando le

cosiddette funzioni vegetative, ossia quelle funzioni che generalmente sono al di fuori del controllo

volontario, per questo viene anche definito "sistema autonomo involontario".

Il SNA è parte del Sistema nervoso periferico.

Sinapsi rapide e lente nel ganglio simpatico della rana

Nel ganglio simpatico della rana si nota un potenziale d'azione post sinaptico eccitatorio (EPSP)

lento e uno veloce.

L'EPSP rapido è dovuto al recettore nicotinico ionotropo: un canale di membrana ligando

dipendente che lega l'acetilcolina. Quando vi si legano due molecole di acetilcolina questo si apre

+

lasciando entrare Na → si ha depolarizzazione e potenziale d'azione.

L'EPSP lento è invece dovuto al recettore muscarinico metabotropo: un recettore associato ad

una proteina G. Quando l'acetilcolina si lega al recettore la proteina G viene attivata ed interagisce

con l'adenilato ciclasi→trasforma ATP in cAMP (AMP ciclico). 30 di 42

L'alta concentrazione di cAMP attiva la proteina cinasi A, che fosforila i canali del potassio→il

potassio non è più in grado di uscire dalla cellula.

Dato che l'attività della pompa sodio potassio non è più compensata dal flusso passivo di potassio

all'esterno la membrana si depolarizza→potenziale d'azione.

In questo caso servono meno molecole di neurotrasmettitore: infatti la proteina G produce molto

cAMP che attiva molte proteina cinasi A→il segnale è amplificato.

Un effetto a cascata mediato da cAMP si trova anche nei miociti cardiaci. Qui quando la

norepinefrina si lega ai recettori β-adrenergici, si attiva una proteina G ad essi legata.

La proteina G attiva l'adenilato ciclasi che produce cAMP→si attiva la proteina cinasi A.

La proteina cinasi A fosforila i canali voltaggio dipendenti del calcio attivandoli.

In questo modo il potenziale d'azione delle cellule cardiache cresce sia in ampiezza che in durata.

La contrazione muscolare

Organizzazione strutturale del muscolo scheletrico

Il muscolo, attaccato alle ossa mediante i tendini, è costituito da fibrocellule multi nucleate che

derivano dalla fusione nell'embrione dei mioblasti in miotubi, i quali sintetizzano le proteine

contrattili e si differenziano nelle cellule adulte.

Ogni fibra muscolare contiene numerose miofibrille costituite da sarcomeri, le unità strutturali del

muscolo, lunghe 2-2.5 μm che si ripetono in direzione longitudinale lungo la fibra.

Il sarcomero è costituito principalmente dalle proteine contrattili, miosina e actina, organizzate in

filamenti spessi e sottili, parzialmente sovrapposti e disposti secondo una precisa simmetria

esagonale come è evidente dalle sezioni trasversali della fibra muscolare.

Oltre alle proteine contrattili nel sarcomero sono presenti proteine strutturali come la titina, la

nebulina, l’α-actinina e proteine regolatrici come la troponina e la tropomiosina.

Il sarcomero, l’unità strutturale del muscolo striato 31 di 42

Il sarcomero è la struttura delimitata dalle due linee Z. Esso comprende una banda A e metà di

ciascuna delle due bande I che ha ai lati.

Al centro del sarcomero si trova la linea M da cui si dipartono, in direzione opposta verso le

estremità del sarcomero, i filamenti spessi di miosina. La zona che contiene i filamenti spessi di

miosina è la banda A.

La banda I invece contiene quella parte di filamenti sottili (actina) che non sono sovrapposti ai

filamenti spessi. Le bande Z sono fibre di connessione alle quali sono legati i filamenti sottili.

Al centro della banda A, la zona in cui sono presenti solo filamenti spessi (non sovrapposti ai

filamenti sottili) è denominata zona H. Le fibre spesse di miosina si originano dalla linea M e

sono rivestite di strutture globulari: le teste della miosina.

In prossimità della linea M c'è una zona nuda priva di

teste.

Nella zona di sovrapposizione di filamenti spessi e sottili,

le teste della miosina formano con il filamento sottile

legami responsabili della generazione di forza e

dell’accorciamento del sarcomero.

Filamento spesso: formato dall'aggregazione di molecole

di miosina, un dimero allungato che presenta due teste.

Le molecole di miosina si associano a formare una

struttura con un asse comune da cui emergono le teste

con disposizione elicoidale.

Il filamento è spesso bipolare: è ben diviso in due metà

che hanno le teste orientate in direzione opposta. Al

centro del filamento troviamo una zona nuda, formata

dalla giustapposizione delle code nel punto di origine dei

due semifilamenti spessi.

Filamento sottile: formati sostanzialmente da molecole di

G-actina una proteina globulare che si associa a dare

filamenti di F-actina. I filamenti sono costituiti da due

catene di monomero avvolte l'una sull'altra con struttura

elicoidale. 32 di 42

Nel solco tra le due catene di monomero si trova la tropomiosina, una molecola a bastoncello

formata da due catene polipeptidiche avvolte a formare una superelica.

Ogni molecola di tropomiosina copre la lunghezza di 7 monomeri di actina, ai suoi estremi prende

contatto con la molecola successiva e con la troponina. 2+

La troponina è una proteina globulare formata da tre subunità: la troponina C (lega Ca ), la

troponina I (inibitoria) e la troponina T (che prende contatto con la tropomiosina).

Contrazione del muscolo

Particolari siti delle teste di miosina sono in grado di legarsi a speciali recettori posti sulle

membrane di actina. Una volta legata all'actina la testa della miosina si muove verso il centro del

sarcomero trascinando con se l'actina e provocando lo scivolamento del filamento sottile.

Quando la prima testa di miosina si staccavi si lega un'altra testa che fa scorrere ancora il

filamento e così via.

Dato che le due metà del filamento spesso hanno le teste orientate in direzioni opposte, lo

scorrimento del filamento sottile può avvenire verso il centro del sarcomero. In questo processo il

filamento spesso resta immobile.

La modifica strutturale del motore miosinico è detta

working stroke.

Vediamo più in dettaglio il ruolo dell'ATP:

• La testa di miosina, in condizione di riposo ha

un' inclinazione di 45° (rispetto ai filamenti

spessi e sottili) e lega un ATP.

• L'ATP viene scisso in fosfato e ADP→la testa

cambia conformazione, ha un'inclinazione di

90° rispetto ai filamenti. Il fosfato e l'ADP

restano attaccati alla testa

• La testa si aggancia all'actina.

• Il legame tra actina e miosina favorisce il

rilascio di fosfato e ADP. Questo induce un

cambio di conformazione nella testa→torna a

45° trascinando con sé il filamento di actina.

Questo evento è denominato working stroke.

• Il legame con un nuovo ATP favorisce la rottura

del legame tra actina e miosina.

Nel muscolo a riposo i recettori dell'actina sono coperti da filamenti di tropomiosina che impedisce

la formazione del complesso actina-miosina.

Nel momento in cui il sistema nervoso centrale ordina la contrazione si ha uno spostamento della

tropomiosina favorito dalla troponina, in tal modo i recettori dell'actina vengono scoperti

permettendo la formazione dei legami.

La troponina è quindi responsabile dello spostamento della tropomiosina ed è quindi possibile

trovarla in due diversi stadi: ON ed OFF, se si trova nello stato OFF la tropomiosina copre l'actina e

la contrazione è impedita, se si trova nello stato ON la tropomiosina si trova spostata in modo da

rendere possibile il legame tra actina e miosina. 2+

Il comportamento della troponina è dovuto dalla presenza o meno del calcio (Ca ).

Meccanica della contrazione muscolare 33 di 42

Apparato per la registrazione dell'attività meccanica del muscolo

Il muscolo è immerso nella soluzione

fisiologica tra gli elettrodi di stimolazione

ed è collegato all’apparato sperimentale

fissando un’estremità tendinea su un

supporto fisso (a) e l’altra estremità

tendinea a una leva (b) collegata al

sistema di registrazione di forza (f) e di

lunghezza (g).

La leva può essere bloccata in modo da

mantenere costante la lunghezza del

muscolo (contrazione isometrica) o

essere libera di muoversi intorno al fulcro

così che il muscolo, accorciandosi, sollevi

il carico (c) (contrazione isotonica).

La registrazione della contrazione in condizioni isometriche è ottenuta impedendo con un blocco il

movimento della leva e misurando la forza che si sviluppa con un trasduttore che deve essere

estremamente rigido e sensibile alle piccole variazioni di lunghezza quali quelle generate dalla

variazione di posizione o di distorsione della leva in condizioni di blocco.

Il trasduttore registra la forza sviluppata dal muscolo dalla distorsione che questa induce nella

struttura cui è connesso il muscolo, ma la rigidità di tutta la struttura che collega il muscolo al

trasduttore di forza deve essere tale da non indurre una variazione significativa nella lunghezza del

muscolo.

Registrazioni isometriche: scossa semplice e tetano

La risposta contrattile che segue un potenziale d’azione muscolare è chiamata scossa semplice.

Nella registrazione in condizioni isometriche, la scossa semplice consiste in un transitorio sviluppo

di forza fino a un picco seguito da una fase di rilassamento in cui la forza cade di nuovo a zero con

un andamento più lento.

La durata del potenziale d’azione (2 ms) è molto più breve della risposta meccanica, che comincia

dopo una breve latenza (10 ms a bassa temperatura) e può durare decine o centinaia di

millisecondi in relazione alla temperatura e al tipo di muscolo.

Perciò, il periodo refrattario che segue l’eccitazione termina molto prima della fine della

contrazione e, applicando un secondo stimolo, si può ottenere la sommazione delle scosse, con un

aumento della forza sviluppata.

Se gli stimoli sono applicati ripetitivamente, si ha una risposta protratta nel tempo detta tetano, in

cui la forza è in genere molto maggiore della scossa.

Secondo la frequenza degli stimoli, il tetano può essere incompleto o completo: nel tetano

incompleto si ha ancora fluttuazione della forza in relazione ai cicli di eccitazione; nel tetano

completo (o fuso) la frequenza di stimolazione è sufficiente a produrre la fusione della risposta

34 di 42

meccanica e la forza, che ha raggiunto il valore isometrico massimo per quel preparato in

relazione alla sua lunghezza e temperatura, rimane costante per tutta la durata della stimolazione.

Caratteristiche della contrazione isometrica

Il muscolo in situ ha una cosiddetta lunghezza di riposo, se

invece è staccato dalle inserzioni sulle ossa assume una

lunghezza di equilibrio, leggermente più corta.

Questo dipende dal fatto che il muscolo, in condizioni di

riposo, presenta una cera resistenza all'allungamento. La

tensione passiva è dovuta alle guaine connettivali elastiche

che rivestono il muscolo e le fibre muscolari.

La tensione passiva cresce in funzione all'allungamento in

modo grossolanamente esponenziale. Si nota inoltre che

muscoli con guaine connettivali più spesse presentano una

maggiore resistenza allo stiramento a riposo.

Si ha anche una tensione attiva indotta da un tetano in

condizioni isometriche. Questa parte da un valore maggiore

di zero cresce raggiungendo un picco nell'ambito di lavoro

normale e poi decresce.

Se analizziamo il muscolo sartorio della rana (estensore della gamba) stimolandolo possiamo

ottenere una curva di tensione totale somma della attiva e passiva.

La tensione ha inizialmente un andamento simile a quello della tensione attiva, con un picco

nell'ambito di lavoro normale, poi decresce ed infine a valori molto alti di lunghezza risale con un

andamento analogo a quello della tensione passiva.

Questo comportamento della tensione totale è ben spiegato da un modello meccanico in cui si ha

una componente contrattile in parallelo rispetto ad una componente elastica. La componente

contrattile è responsabile della tensione attiva, la componente elastica di quella passiva.

Relazione tra tensione isometrica e lunghezza nella fibra muscolare singola

Può essere studiata in solo in esperimenti condotti con fibre isolate, e in cui la lunghezza del

sarcomero può essere registrata e mantenuta costante durante la contrazione.

Sotto queste condizioni si è trovato che a partire dalla lunghezza di 2,25 µm (nanometri) (che

corrisponde più o meno alla lunghezza di riposo in situ), la tensione generata da tetano isometrico

diminuisce linearmente. Questa forza è azzerata alla lunghezza massima di 3,65 µm.

Invece quando il sarcomero è compresso si ha un altro andamento: tra 2,25µm e 2,05 la forza

resta costante al massimo valore, al di sotto di 2,05µm la tensione diminuisce linearmente. 35 di 42

Alla lunghezza minima la forza diventa 0.

Grazie a questo esperimento si capisce che la forza della contrazione è generata proprio dalla

sovrapposizione di actina e miosina: nell'ambito di lunghezza tra 2,05 e 2,25 (la lunghezza

normale) la forza è massima perché c'è la massima sovrapposizione tra filamenti spessi e sottili.

A lunghezze superiori i filamenti sottili si allontanano troppo dal centro del sarcomero e sono quindi

sfalsati. A lunghezze inferiori le fibre di actina di un lato sono sovrapposte a quelle dell'altro

impedendo i legami con la miosina.

Questo esperimento prova che è il numero di legami (crossbridge) tra teste di miosina e i

filamenti di actina che sviluppa la forza.

Caratteristiche della contrazione isotonica

La contrazione isotonica prevede che al muscolo sia permesso di adattare la propria lunghezza al

carico assegnato. In questo caso la variabile controllata dallo sperimentatore è il carico, la variabile

dipendente è la variazione di lunghezza.

Contrazione isotonica con postcarico

Sappiamo che la forza sviluppata dal muscolo cambia in relazione alla propria lunghezza, quindi

dobbiamo evitare di assegnare il carico al muscolo a riposo (perché sennò verrebbe allungato).

Nella contrazione isotonica con postcarico si ha un blocco che impedisce al carico di stirare il

muscolo oltre la lunghezza prescelta.

Se stimoliamo il muscolo tetanicamente in queste condizioni, inizialmente si ha una contrazione

isometrica (finché il muscolo non sviluppa una forza uguale a quella del carico). Questo avviene in

tempi sempre più lunghi aumentando il carico.

L’accorciamento che segue avviene a una velocità che all’inizio si mantiene costante, poi quindi

decade ed infine si arresta.

Al termine della stimolazione, il muscolo viene stirato dal carico finché, raggiunto il valore iniziale di

lunghezza stabilito dal blocco, il rilasciamento continua in condizioni isometriche e la forza torna al

valore di riposo.

Se si aumenta il carico, è possibile osservare che sia la velocità dell’accorciamento iniziale sia

l’entità totale dell’accorciamento sono minori.

Un’altra risposta della contrazione isotonica è quantificabile

riportando in grafico la velocità di accorciamento iniziale

contro il carico assegnato.

Si ottiene così la curva forza-velocità (T-V, dove T sta per

tensione) che definisce il modo con cui il muscolo compie

lavoro e sviluppa potenza in relazione al carico esterno:

quanto è maggiore il carico, tanto minore è la velocità di

accorciamento. 36 di 42

Contrazione isotonica da rapido rilasciamento

La stessa relazione tra carico e velocità di accorciamento può essere ottenuta con un metodo

alternativo in cui il carico è assegnato al muscolo solo dopo che questo ha sviluppato la forza

isometrica massima.

Si ha quindi una contrazione isometrica e appena la forza raggiunge il massimo rilasciamo il

blocco del nostro apparato: in questo modo si passa alla contrazione isotonica.

La riduzione improvvisa della forza dal valore del

tetano isometrico a quello del carico induce

dapprima una riduzione rapida della lunghezza ed

in seguito un accorciamento a velocità costante

simile a quello della contrazione isotonica a

postcarico.

Se riduciamo il carico aumenta l'ampiezza del

rapido accorciamento ed aumenta la velocità

dell'accorciamento successivo.

Anche qui si può immaginare che le due

componenti della risposta siano causate da due

componenti, una contrattile e una elastica, ma

questa volta in serie.

In questi esperimenti è stata ignorata la

componente elastica in parallelo messa in

evidenza dagli esperimenti di contrazione

isometrica. Questo perché nell'ambito di lavoro

normale del muscolo l'accorciamento non supera il

10%→il contributo della componente elastica in

parallelo è trascurabile.

Le proprietà meccaniche del muscolo possono essere descritte compiutamente solo da un modello

a tre elementi: una componente contrattile (sarcomeri), una componente elastica in serie ad essa

(tendini) ed infine una componente elastica in parallelo alle prime due (guaine connettivali).

Energetica della contrazione muscolare

Durante la contrazione muscolare, si ha un notevole incremento della produzione di calore. 37 di 42


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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze biologiche
SSD:
Università: Firenze - Unifi
A.A.: 2017-2018

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher ciemme. di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Fisiologia generale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Firenze - Unifi o del prof Piazzesi Gabriella.

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