Fisiologia II - muscolo, cardiocircolatorio, reni, respiratorio

Il muscolo

Tipi di muscolatura

Abbiamo tre tipi di muscolatura:

• Striata: muscolatura scheletrica, muscolatura della laringe, muscolatura del faringe e parte dell'esofago (importanti per vocalizzazione, deglutizione, eruttazione e vomito), muscolatura dello sfintere anale e uretrale, muscoli dell'occhio, della masticazione e della lingua.
• Lisce
• Cardiaca

Muscolatura striata

Il muscolo è costituito da molti elementi polinucleati che sono costituiti dalla fusione in età fetale di numerose cellule (il muscolo è una cellula polinucleata che ha la funzione di sincizio, cioè funziona come sincizio perché quando si attiva si contrae tutto globalmente). Il muscolo si attacca all'osso tramite il tendine ed è avvolto dal proprio connettivo. Ogni fibra muscolare è costituita da migliaia di fibrille a loro volta costituite da filamenti proteici (proteine contrattili del muscolo).

L'unità funzionale del muscolo è il sarcomero, cioè quell'unità funzionale ripetitiva specifica del muscolo striato che va tra le due linee Z. All'interno delle due linee Z troviamo i filamenti spessi e sottili; normalmente un filamento spesso è circondato da 6 sottili mentre un filamento sottile è circondato da 3 spessi. Nel sarcomero sono presenti la banda A (anisotropa perché è scura/ostacola il passaggio della luce) e la banda I (isotropa perché è chiara/permette un maggior passaggio della luce).

I filamenti proteici sono costituiti da due tipi:

• Spessi: costituiti dalla miosina (la molecola di miosina è organizzata in un polimero fibroso).
• Sottili: costituiti dall'actina (l'actina è organizzata in un polimero fibroso che comprende più molecole di actina).

Perché il muscolo si contragga, si deve formare il complesso acto-miosinico, cioè l'actina (filamenti sottili) si deve legare alla miosina (filamenti spessi); quando questo succede le linee Z si avvicinano. Nel muscolo rilasciato i filamenti sottili e spessi sono distanziati mentre nel muscolo contratto si "accavallano" e scorrono l'uno sull'altro avvicinando le linee Z. La distanza delle linee Z e il rapporto tra i filamenti di actina e miosina è molto importante dal punto di vista funzionale perché cambia l'intensità della contrazione.

Struttura e funzione dei filamenti

Filamenti spessi (miosina)

La miosina è una proteina con un PM 470.000. È formata da due meromiosine:

• Una leggera filamentosa che costituisce la coda.
• Una pesante che costituisce la testa (è la componente globulare della miosina), che ha attività ATPasica (è in grado di scindere l'ATP per produrre energia) e fa in modo che l'actina e la miosina possano scorrere tra di loro. Infatti, la testa interagisce con le molecole di actina dei filamenti sottili. Durante la contrazione, le teste della miosina sono in grado di modificare la loro angolazione agganciandosi ai siti recettivi per la miosina presenti sull'actina. Se si legano, si forma il complesso acto-miosinico. L'actina scorre perché le teste, cambiando la loro angolazione, la spostano in avanti, quindi si staccano (grazie alla scissione dell'ATP in ADP), si legano a un sito recettivo più lontano e spostano ulteriormente l'actina in avanti, facendo piano piano avvicinare le linee Z.

Filamenti sottili (actina)

I filamenti sottili sono formati da 3 classi di proteine:

• Actina: è sotto forma di actina globulare (o actina G), ha un PM di 42.000 e in presenza di ATP va a formare l'actina F (o actina fibrosa) che è un polimero costituito da circa 300 unità di actina G/globulare (è come se l'actina G fosse una perla mentre l'actina F un filo formato da quelle perle; in particolare si forma una collana formata da due fili di actina F attorcigliati tra di loro: filamento a doppia elica).
• Tropomiosina: ha PM 35.000, è una proteina allungata a doppia elica che è disposta nelle scanalature dell'actina F e quando le concentrazioni di Ca²⁺ sono ridotte (muscolo rilasciato) va a mascherare la parte dell'actina che presenta il recettore per la miosina: quando i recettori sono coperti non si potrà formare il complesso acto-miosinico (perché è bloccata l'interazione fra le teste della miosina e l'actina). Ma se si sposta e i siti si liberano, si potrà instaurare la contrazione. L'azione "inibitoria" sulla contrazione è facilitata dalla Troponina I (o inibitoria) e Troponina T che mascherano i siti reattivi per la miosina.
• Complesso della troponina: è un complesso formato da 3 proteine:
• Troponina I: si lega sia all'actina che alla tropomiosina impedendo la formazione del complesso acto-miosinico.
• Troponina T: è una proteina contrattile che lega il complesso troponinico alla tropomiosina.
• Troponina C: è in grado di legare il Ca²⁺ (quando quest'ultimo aumenta la sua concentrazione nella zona intracellulare, si lega alla troponina C. Il legame della Troponina C con il Ca²⁺ modifica la disposizione della Troponina I e T permettendo l'esposizione dei siti per la miosina che quindi si potrà legare). Per questi motivi, la troponina C viene anche chiamata "interruttore della contrazione".

In conclusione: l'impossibilità del legame dell'actina con la miosina rende il muscolo rilasciato, mentre il legame dell'actina con la miosina in presenza di Ca²⁺ e ATP permette la contrazione del muscolo e l'avvicinamento delle linee Z.

Attivazione delle fibre muscolari striate

A livello di corteccia abbiamo delle aree sensitive che ricevono afferenze dai dermatomeri e delle aree motrici che si attivano in base allo stimolo che è stato ricevuto (a livello di corteccia motoria e sensitiva sono proiettate, vedi "homunculus"/mappa somatotopica, le diverse parti del corpo).

Le vie motrici sono il fascio piramidale (origina a livello di corteccia motoria) e l'extrapiramidale (origina in zone sottocorticali, in particolare a livello di mesencefalo e a livello del tronco dell'encefalo, cioè il sistema bulbo-ponto-mesencefalico); nei nostri animali domestici il principale è l'extrapiramidale mentre nell'uomo è il piramidale. I fasci del fascio extrapiramidale sono:

• Tratto rubrospinale
• Tratto tettospinale
• Tratto vestibolo spinale
• Tratto reticolospinale

Gli impulsi che seguono le vie discendenti si portano a livello delle corna ventrali del midollo spinale dove troviamo un α-motoneurone; da questo si origina una via motrice α che è mielinica ed è veloce (la velocità è data dal suo spessore elevato: 17-22 micron) arrivando a 70-120 m/sec (430 km/ora). La via motrice α va ad innervare il muscolo tramite la placca motrice; un singolo motoneurone può innervare molte fibre muscolari e a seconda di quante ne innerva si parla di rapporto di innervazione (numero di fibre muscolari che sono innervate da un singolo motoneurone); questo rapporto dipende dal tipo di muscolo e se quel muscolo deve fare movimenti precisi o meno: il rapporto è 1:2/1:4 nei muscoli estrinseci dell'occhio (cioè un motoneurone innerva 2, massimo 4, fibre muscolari perché i movimenti devono essere precisi), mentre i glutei hanno un rapporto di 1:800. Una singola fibra muscolare è innervata da 1 solo motoneurone (anche se un motoneurone può innervare più fibre).

Placca motrice/placca neuromuscolare/giunzione neuromuscolare

È la terminazione del motoneurone sul muscolo; non è nient'altro che una classica sinapsi!!

• Terminale pre-giunzionale
• Spazio giunzionale
• Terminale post-giunzionale

Gli impulsi arrivano a livello del terminale pre-giunzionale in cui si trova il neuromediatore (acetilcolina) stipato all'interno di vescicole (in ogni terminale ci sono all'incirca 300.000 vescicole o quanti). L'arrivo dell'impulso fa sì che il Ca²⁺ inizi ad entrare a livello del terminale pre-giunzionale; gli ioni Ca²⁺ che entrano determinano la solubilizzazione dell'acetilcolina che quindi potrà diffondere a livello di spazio giunzionale. L'Ach arriva quindi a livello post-giunzionale dove trova suoi specifici recettori (attivati dalla nicotina = eccitazione muscolare, mentre sono inibiti dal curaro = paralisi neuromuscolare); il legame Ach-recettore aumenta la permeabilità del terminale post-giunzionale agli ioni Na: l'ingresso degli ioni Na trova il terminale post-giunzionale in potenziale di riposo/di membrana (è chiamato EPP: potenziale di placca) che è negativo (oscilla tra -90/-50 mV) per ogni cellula dell'organismo e che è dato dal rapporto interno/esterno degli ioni creato da sistemi di trasporto attivo. Qualsiasi cellula dell'organismo per attivarsi DEVE depolarizzarsi; il suo potenziale di membrana cioè deve diminuire la sua negatività 10-15 mV (o entra più Na o esce meno K senza spegnere le pompe!) e raggiungere così il potenziale soglia. Il Na entrando nel terminale post-giunzionale tende a depolarizzarlo; se la quantità di legami Ach-recettore non è elevata si crea una depolarizzazione che non fa arrivare a soglia il potenziale di membrana, se invece il potenziale arriva a soglia ci sarà lo spegnimento delle pompe e gli ioni tenderanno a diffondere secondo il loro gradiente di concentrazione (la permeabilità della cellula al Na è nettamente superiore a quella del K quindi si crea l'effetto depolarizzante) creando l'overshoot. Il potenziale d'azione di un neurone dura 2 msec mentre nella muscolatura striata dura 3-5-7 msec. Mano a mano che andiamo verso gli 0 mV, la permeabilità per il Na diminuisce perché si riattiva la pompa e il K inizia ad uscire quindi invece di raggiungere 58-60 mV (potenziale di equilibrio del Na) ci fermiamo a 20 mV (overshoot = inversione di potenziale); a questo punto inizia a prevalere la permeabilità per il K che uscendo riporta la membrana al potenziale di riposo (-90 mV).

L'effetto del potenziale d'azione sarà la contrazione: accoppiamento eccitazione-contrazione. I potenziali d'azione che arrivano a livello post-giunzionale iniziano a propagarsi lungo il sarcolemma e lungo i tubuli T (invaginazioni del sarcolemma); a contatto con i tubuli T è presente il sistema sarcotubulare/sarcoplasmatico (che è una componente intracellulare) che alle estremità presenta le cisterne terminali (un sistema di trasporto attivo sequestra il Ca²⁺ e lo trattiene in queste strutture intracellulari). I potenziali migrando lungo i tubuli T depolarizzano la membrana delle cisterne terminali (le cariche positive influenzano la membrana), in questo modo si disattiva la pompa che trattiene il Ca²⁺ all'interno delle cisterne e quindi il Ca²⁺ sarà libero di diffondere all'interno della cellula; inoltre aumenta l'afflusso di Ca²⁺ dall'esterno verso l'interno della cellula, il Ca passa da 10^-8 a 10^-5 M, aumenta quindi di 1000 volte all'interno della cellula.

Il Ca²⁺ diffonde tra i filamenti di actina e miosina, trova la Troponina C, vi si lega e assieme liberano i siti dell'actina per la miosina: si può formare così il complesso actomiosinico e grazie all'attività ATP-asica della testa della miosina si libera l'energia che permette lo scorrimento dei filamenti di actina sulla miosina (grazie al cambiamento dell'angolazione delle teste della miosina) e l'avvicinamento pertanto delle linee Z = contrazione. Quando la contrazione cessa, non essendoci più potenziali d'azione che percorrono i tubuli T, si riattiva la pompa per il Ca²⁺ che viene quindi risequestrato all'interno delle cisterne terminali; in assenza di Ca²⁺ che si lega alla troponina C, la tropomiosina con la troponina T e I mascherano i siti per la miosina sull'actina = muscolo rilasciato.

Caratteristiche della contrazione

Il potenziale d'azione dura 3-5 msec; la contrazione (scossa semplice) che segue potrà avvenire solo dopo 2-4 msec (periodo latente) dall'inizio del potenziale d'azione perché la salva di potenziali deve percorrere i tubuli T e deve disattivare la pompa per il Ca²⁺ quindi ci mette un po' di tempo (il tempo latente è quindi il tempo necessario per la propagazione del potenziale d'azione!). La durata della contrazione è diversa a seconda dei tipi di muscolo: la durata è tanto più breve quanto più fine è il movimento che questo muscolo deve compiere (nella muscolatura striata la contrazione dura in media 60-80 msec ma tra i muscoli striati ad esempio i muscoli estrinseci dell'occhio hanno una contrazione che dura 15-20 msec mentre nel gastrocnemio dura 100 msec).

• Se io DOPO il rilasciamento del muscolo applico un ulteriore potenziale d'azione o stimolo, ottengo un'ulteriore contrazione che è della medesima ampiezza della precedente.
• Se le stimolazioni invece vengono effettuate DURANTE la fase di rilasciamento o con una frequenza sempre maggiore si ha una tensione (forza di contrazione) maggiore di quella iniziale e sempre più crescente. Questo perché la contrazione si somma alla precedente visto che il muscolo ha appena iniziato a rilassarsi (alla seconda stimolazione il Ca²⁺ non è stato ancora del tutto risequestrato a livello di cisterne terminali e quindi si ha un effetto di sommazione temporale!).
• Se aumento moltissimo la frequenza di stimolazione/dei potenziali, la tensione aumenta fino a un determinato limite (dato dall'esaurimento del Ca²⁺) e passo così da una scossa semplice a una sommazione temporale e poi se la frequenza è ancora alta andrò incontro prima al tetano incompleto (>10 impulsi/sec) e poi al tetano completo (>40 impulsi/sec) in cui il muscolo non riesce più a rilassarsi! Il tetano è la contrazione persistente dei muscoli protagonisti ed antagonisti dovuta a una tossina prodotta da Clostridium tetani (trisma tetanico). Quando la stimolazione ad alta frequenza si protrae per un tempo piuttosto lungo, la tensione inizia a diminuire (fatica muscolare) perché ho un calo dell'Ach (mancando il neuromediatore non riesco a depolarizzare il terminale post-giunzionale, ecc.).

Oltre che la sommazione temporale abbiamo anche una sommazione spaziale: un motoneurone può innervare 1 o più fibre muscolari (se io attivo più motoneuroni e ognuno di questi attiva più fibre muscolari, avrò una maggiore risposta contrattile perché si attivano più fibre).

La contrazione può essere:

• Isometrica: NON ha accorciamento dei capi tendinei = aumenta la tensione ma NON sviluppa lavoro.
• Isotonica: ho accorciamento dei capi tendinei = sviluppa lavoro!

Fattori che influenzano la contrazione muscolare

• Frequenza di stimolazione: aumentando la frequenza o il numero degli impulsi aumenta il numero delle contrazioni (scossa semplice, sommazione, tetano incompleto, tetano completo).
• Curva tensione-lunghezza: importante sia per il muscolo striato che il muscolo cardiaco. La tensione sviluppata da un muscolo o la forza di contrazione è direttamente proporzionale alla lunghezza a riposo della fibra muscolare (alla distanza tra le linee Z); se le linee Z sono lontane (e quindi ho maggiore lunghezza a riposo) la possibilità di accorciamento è maggiore: ho la possibilità di fare molti più ponti actomiosinici e quindi la contrazione potrà essere maggiore. Se però esagero con la lunghezza a riposo vado a disarticolare tra di loro i filamenti di actina e miosina che quindi non potranno fare avvenire la contrazione.
• Numero delle fibre muscolari che si contraggono dipende dal reclutamento (sommazione spaziale). Una fibra può essere innervata da un solo neurone ma un motoneurone può innervare più fibre, quindi più motoneuroni ho più aumenta il reclutamento, più aumenta la forza generata dal muscolo.
• Dimensione: se vengono stimolati dei motoneuroni grandi, cioè che innervano molte fibre muscolari (cioè attivano unità motorie con tante fibre muscolari) avrò una maggiore forza di contrazione (è una sorta di sommazione spaziale).

Crampo muscolare

Nel caso di eccessiva attività muscolare, perdita di elettroliti, freddo intenso o scarsa irrorazione al muscolo, ho un'alterazione del metabolismo del muscolo con dolore (ho un aumento degli impulsi sensitivi che per via riflessa inducono un'ulteriore risposta muscolare). Facendo contrarre il muscolo antagonista si provoca un'inibizione reciproca del protagonista. Una buona precauzione è l'assunzione di magnesio.

Rigor mortis

È un'inestensibilità del muscolo striato che inizia 10-12 ore dopo la morte e si esaurisce 36-48 ore dopo la morte stessa (i valori cambiano molto a seconda della specie, della temperatura, ecc.). Per blocco dell'attività circolatoria non ho più apporto di ossigeno ai muscoli ma le pompe che sequestrano il Ca²⁺ nel sistema sarcotubulare continuano a funzionare anche dopo la morte consumando ATP (prodotta dalla glicolisi anaerobica) fino ad esaurirla. In assenza di ATP il muscolo perde la sua plasticità perché i legami actomiosinici diventano stabili (è l'ATP che li fa staccare in vita). Il rigor mortis termina poi per autolisi cadaverica (distruzione delle proteine, ecc.).

Muscolatura liscia

Cellule molto più piccole della muscolatura striata (che è praticamente un sincizio): lunghezza 100-300 micron (migliaia di volte meno della striata) e diametro 2-5 micron (20 volte meno della striata).