Fisiologia della contrazione muscolare
1. Innesco del potenziale d’azione e funzionamento della giunzione
neuromuscolare
La giunzione neuromuscolare è una sinapsi formata dalla membrana presinaptica del motoneurone
α e dalla membrana postsinaptica della fibrocellula muscolare (sarcolemma). Il motoneurone α
rilascia il neurotrasmettitore acetilcolina (Ach) in quantità tali da saturare tutti i suoi recettori
nicotinici, che sono canali ionotropici del sodio localizzati sulle creste del sarcolemma. Quando
questi canali legano ognuno due molecole di Ach si aprono, lasciano passare il sodio e così
depolarizzano la membrana fino a -55 mV , che è il valore soglia per l’apertura dei canali
voltaggio-dipendenti del sodio , localizzati nelle invaginazioni del sarcolemma. A questo punto si
innesca il potenziale d’azione anche sul sarcolemma. Nel muscolo scheletrico, quando proviene uno
stimolo dal motoneurone è sempre innescato un potenziale d’azione, è impossibile che ciò non
avvenga, a meno che non ci siano patologie. Dunque, potenziale d’azione equivale sempre a
contrazione .
Il potenziale d’azione percorre il sarcolemma fino a raggiungere il tubulo T. I tubuli T sono delle
invaginazioni del sarcolemma che arrivano in profondità nella fibrocellula muscolare, in modo da
raggiungere anche le miofibrille più interne; ogni tubulo T è accoppiato a due cisterne terminali
del reticolo sarcoplasmatico a formare una triade , localizzata a livello delle linee Z del sarcomero.
Sui tubuli T si trova un recettore voltaggio-dipendente detto diidropiridinico , semplicemente
perché è sensibile alle diidropiridine, accoppiato meccanicamente al recettore rianodinico presente
sulla cisterna terminale del reticolo sarcoplasmatico, il quale contiene il calcio. Quando il potenziale
d’azione arriva al recettore diidropiridinico, questo cambia conformazione causando l’apertura del
recettore rianodinico e il passaggio del calcio dal reticolo sarcoplasmatico (dove ha concentrazione
tra 1 e 10 mM) al citosol (dove ha concentrazione pari a 100 nM). Il calcio, ora notevolmente più
concentrato nel citosol, può andare a legarsi alla subunità C della troponina , spostare la
tropomiosina e innescare il ciclo dei ponti trasversali .
Il tubulo T è necessario perché la fibrocellula muscolare è una cellula molto grande , con un
diametro che oscilla tra i 10 e 100 micron, per cui il tempo di diffusione del calcio dalla membrana
al centro della fibrocellula richiederebbe tempi troppo lunghi. Quindi il tubulo T è un escamotage
strutturale per far sì che il calcio sia rilasciato direttamente dall’interno, subito dove serve, cioè
dove si trovano i filamenti contrattili.
2. Sperimentazioni sul recettore DHP nella miotonia
Il recettore diidropiridinico (DHP) tecnicamente si chiama Cav1.1 , dove Ca sta per calcio, V sta
per voltaggio-dipendente, 1.1 indica che è un canale di tipo L del muscolo scheletrico . Questo
canale, in condizioni fisiologiche, serve quasi solo per accoppiare meccanicamente il recettore
rianodinico e per aprirlo, quindi non fa passare molto calcio dall’esterno. Tuttavia, in condizioni
“estreme”, è in grado anche di far passare calcio dall’esterno.
Quello che vi mostro adesso è un estratto di alcuni esperimenti fatti personalmente da me, nello
studio di particolari distrofie miotoniche; il fine è investigare l’origine molecolare di alcune
patologie muscolari, tra cui la distrofia miotonica di tipo 1. I pazienti che soffrono di distrofia
miotonica hanno la miotonia , cioè una contrazione eccessiva del muscolo rispetto al normale . Ecco
un esempio classico: se a un paziente miotonico fate stringere fortemente il pugno della mano e poi
chiedete di rilassarlo, mentre un paziente normale riesce a rilassarlo subito, il paziente miotonico
rimane con il muscolo contratto e l’apertura della mano risulta molto difficoltosa.
La fibrocellula muscolare è una cellula polinucleata , formata dalla fusione di tante cellule germinali
dette mioblasti . I mioblasti formano prima una struttura intermedia più complessa, detta miotubo ,
che poi costituirà la fibrocellula muscolare. Il miotubo è una cellula già fusa, che ha tutto il corredo
molecolare per ottemperare al meccanismo di eccitazione-contrazione, ma non è ancora così
formata da potersi contrarre, anche se si depolarizza con ingresso di calcio dal reticolo
sarcoplasmatico. Quindi questa cellula non si contrarrà, ma svilupperà i segnali di calcio. Tramite
escamotage sperimentali io posso far rilasciare il calcio direttamente dal reticolo sarcoplasmatico o
anche (e non soltanto) dall’esterno, attraverso il recettore DHP. Quindi quello che vi mostrerò è
come si comporta sperimentalmente una cellula sotto depolarizzazione, in termini di segnali di
calcio .
Ricordate che una cellula muscolare normale ha una depolarizzazione che dura circa 5 millisecondi .
Nel mio caso sperimentale la depolarizzazione dura 20 secondi, quindi si tratta di uno stimolo
fisiologico dal punto di vista della depolarizzazione, ma non dal punto di vista del reale
funzionamento di una cellula. In condizioni fisiologiche il canale DHP non fa passare calcio, ma in
condizioni forzate lo fa passare, perché è a tutti gli effetti un canale voltaggio-dipendente del calcio ,
quindi vi dimostrerò questa cosa sperimentalmente.
Per poter andare a studiare i flussi di calcio intracellulare devo mettere nella cellula una sonda
luminosa fluorescente che si “illumina” ogni volta che ci sono ioni calcio (semplificando, la
fluorescenza è quando qualcosa si illumina a seguito di uno stimolo), così posso vedere variazioni
di intensità luminosa proporzionali alle variazioni di calcio intracellulare. Per rendere meglio
visibili queste variazioni di intensità, utilizzo una scala di colori falsata in cui un colore diverso
corrisponde a un’intensità luminosa diversa (perché il nostro occhio è più sensibile ai contrasti di
colore che alle differenze di intensità luminosa). Quando vedete verde siamo a livelli di calcio
bassissimi, man mano che il calcio aumenterà il colore diventerà prima blu, poi rosso, poi quasi
bianco.
A questo punto devo capire qual è la quantità di calcio nella cellula dovuta al recettore rianodinico e
qual è quella dovuta al recettore DHP. Faccio quindi una piccola variazione sperimentale in modo
da arrivarci per sottrazione: tolgo il calcio presente all’esterno, così se depolarizzo e vedo un
segnale ho la certezza che quel calcio proviene dal reticolo sarcoplasmatico. Per differenza, posso
sapere quanto ne proviene dall’esterno e quanto dall’interno. Queste due cellule, che inizialmente
sono identiche (stessa condizione basale), sono due esperimenti fatti in tempi differenti, uno con il
calcio fuori dalla cellula e uno senza il calcio fuori dalla cellula. Quando le depolarizzo, una
continua a rimanere accesa, l’altra si spegne subito. Quella che dura di più è quella che presenta il
calcio fuori.
Questo esempio sperimentale serve per farvi capire una cosa: il recettore DHP ha la funzione di far
entrare calcio nella parte terminale di una depolarizzazione molto lunga, perché la quota iniziale
dipende solo dal recettore rianodinico . Quando ho una depolarizzazione fisiologica, che dura 5
millisecondi, tutto il calcio che entra nella cellula dipende dal recettore rianodinico. Se avessi la
possibilità di allungare la depolarizzazione, allora anche il recettore DHP si attiverebbe
tardivamente e farebbe entrare il calcio.
Dato che la quantità di calcio che entra è direttamente proporzionale alla contrazione, in questi
lavori abbiamo dimostrato che l’elevata miotonia dipende dal fatto che un’alterazione del canale del
cloro della cellula muscolare porta a una depolarizzazione allungata, che causa l’apertura del
recettore DHP e il conseguente ingresso di calcio anche dall’esterno. Il risultato è un’eccessiva
contrazione.
Quindi il canale DHP è effettivamente un canale del calcio, che si apre tardivamente ed è long
lasting, cioè rimane aperto a lungo, se gliene do la possibilità.
3. L’ingresso e la fuoriuscita di calcio dalla cellula
Il gradiente elettrochimico del calcio è talmente importante che nel momento in cui si apre un
canale che lo fa passare, il calcio immediatamente arriva ai suoi livelli massimi tramite un
trasporto passivo spinto dal gradiente di concentrazione . L’azione della pompa SERCA , che
rimuove il calcio, è molto più lenta nel tempo, in quanto si tratta di un trasporto attivo contro
gradiente, che consuma energia . Quindi i tempi di recupero del calcio da parte della pompa
SERCA sono molto più lenti dei suoi tempi di rilascio. Queste sono le concentrazioni del calcio:
- Fuori dalla cellula: 2 mM
- Dentro il reticolo sarcoplasmatico: 10 mM
- Dentro il citosol cellulare: 100 nM
All’interno del reticolo sarcoplasmatico c’è una proteina, la calsequestrina , capace di legare il
calcio per limitare lo sforzo della pompa SERCA nel risequestrare il calcio dentro il reticolo.
All’interno delle cellule abbiamo le proteine calcio-leganti , che eliminano la quota di calcio libero
che competerebbe con il gradiente elettrochimico, sia in termini passivi che attivi.
Domanda studente
: “Una volta che il calcio si è legato alla troponina, come si stacca da essa per
tornare alla sua conformazione basale?”
Risposta : i legami del calcio con tutte le proteine calcio-leganti (troponina, calsequestrina eccetera)
sono legami labili e dinamici , non forti, quindi se mediamente abbiamo 10 molecole di calcio
legate, non vuol dire che stiano tutte fisse lì, ma che una arriva e si lega, un’altra si stacca e se ne va
e così via. Quanto calcio rimane mediamente legato dipende dalla sua concentrazione nella cellula .
4. Il fenomeno di sommazione e il tetano muscolare
Il potenziale d’azione della fibrocellula muscolare dura fra i 2 e i 5 millisecondi , mentre lo
sviluppo di forza contrattile a seguito di questo potenziale dura fra i 10 e i 100 millisecondi , cioè
fra le 20 e le 50 volte in più, in termini di tempo. Quindi la cellula, a seguito dell’innesco, inizia a
contrarsi in modo “rallentato”, raggiungendo il picco di tensione in cui è massimamente contratta, e
poi si rilasciandosi fino a tornare al livello minimo. Quando il calcio viene rimosso la titina , che
aveva accumulato energia elastica, cede la stessa energia per riportare il sarcomero contratto nella
sua condizione originale. Ciò è fondamentale per consentire una contrazione costante del muscolo
nel tempo .
La contrazione della fibrocellula muscolare a seguito dell’arrivo di un unico potenziale d’azione è
detta scossa semplice . Questo potenziale d’azione è stato innescato dal potenziale d’azione sul
motoneurone α, quindi abbiamo una corrispondenza 1:1.
Il periodo di refrattarietà di un potenziale d’azione è quel periodo in cui non si può sviluppare un
nuovo potenziale d’azione , e dipende dall’inattivazione dei canali voltaggio-dipendenti del sodio. Il
periodo di refrattarietà termina solo quando il potenziale di membrana torna a un valore di riposo
(circa -70 mV) .
La forza del muscolo si sviluppa dopo che il potenziale d’azione è terminato, e questo consente di
innescare un nuovo potenziale d’azione quando ancora la forza sviluppata dal precedente non si è
esaurita. Posso così sommare la forza delle singole contrazioni fino ad avere una contrazione
massimale, secondo il fenomeno di sommazione o fenomeno della scala , e ottenere in questo
modo il tetano muscolare . La condizione di oscillazione intorno a un valore massimo si chiama
tetano incompleto o tetano non fuso , mentre la condizione di contrazione massima senza
oscillazione si chiama tetano fuso . Il numero di potenziali d’azione al secondo (pot/sec) che devo
fornire per avere sommazione, tetano non fuso e tetano fuso dipende ovviamente dal tipo di
muscolo. Per un muscolo medio, devo fornire circa 10 pot/sec per ottenere sommazione, circa 25
pot/sec per ottenere il tetano non fuso, circa 50 pot/sec per ottenere il tetano fuso.
La forza non oscilla intorno al valore massimo della prima scossa, aumenta ad ogni potenziale
ma
che fornisco. Questo accade perché nel reticolo sarcoplasmatico ci sono 10 mM di calcio, che è una
quantità enorme rispetto a quella che serve per la contrazione che si ha con un singolo ciclo dei
ponti trasversali. Ogni volta che depolarizzo la cellula non viene rilasciato nel citosol tutto il calcio
disponibile nel reticolo, ma solo una piccola quota. Quando arriva un secondo impulso, viene
rilasciata un’altra piccola quota che si somma alla precedente, e così via con gli stimoli successivi.
Nel frattempo, la pompa SERCA prova a rimuovere il calcio, ma lavora troppo lentamente rispetto
alla velocità di rilascio, quindi il contenuto totale di calcio aumenta di volta in volta. Più arriva
calcio, più si lega alla troponina, più tropomiosina si sposta, più cicli dei ponti trasversali si
formano; questo è possibile perché il calcio rilasciato in una scossa semplice non satura tutti i siti
della troponina. Ovviamente si arriva a un punto in cui il treno di potenziali d’azione è talmente
tanto ravvicinato che viene svuotato tutto il reticolo sarcoplasmatico, quindi si avrà una forza che
oscilla intorno al valore massimo, con una contrazione costante .
Dunque, se invio potenziali d’azione a frequenza variabile, la fibrocellula muscolare si contrae di
più o di meno in base alla frequenza, andando a sviluppare una forza graduabile. In un muscolo ho
tantissime fibrocellule muscolari, quindi se riesco a modulare la loro frequenza di contrazione posso
sommare tutti i contributi delle singole fibrocellule e graduare la forza.
N.B.: il professore dice che il tetano muscolare è una classica domanda d’esame, e che il discorso
che ha fatto è ciò che vuole sentirsi dire all’esame.
Dal punto di vista del consumo di ATP il tetano fuso è molto sconveniente, perché è ad alto
consumo energetico e perché crea una specie di feedback negativo sul muscolo: quando è
ipercontratto, il muscolo comprime i vasi sanguigni e riduce il proprio apporto di sangue, fino a non
poter più lavorare. In realtà tutti i nostri muscoli lavorano in condizioni di tetano non fuso .
5. L’unità motoria
Un motoneurone non innerva una sola fibrocellula muscolare, ma un gruppo di esse. Un
motoneurone e le fibrocellule muscolari da esso innervate costituiscono un’ unità motoria . Ogni
muscolo, quindi, è suddiviso in unità motorie (un muscolo medio contiene tra le 50 e le 100 unità).
Il numero di fibrocellule innervate da un motoneurone non è fisso: alcuni motoneuroni ne innervano
di più, altri di meno; in questo modo le unità motorie sono organizzate in maniera gerarchica in base
al numero di fibrocellule che le compongono. È importante notare che le fibrocellule muscolari
innervate da uno stesso motoneurone non sono compartimentalizzate da una parte, non si trovano
tutte vicine, ma sono distribuite in maniera quasi casuale all’interno del muscolo, per far sì che esso
si accorci in maniera omogenea e longitudinale, indipendentemente da quale unità motoria si attivi.
Se le fibrocellule innervate da un motoneurone si trovassero tutte raggruppate su un lato del
muscolo, all’attivazione di quella unità motoria il muscolo non si accorcerebbe omogeneamente, ma
si piegherebbe!
Facciamo l’esempio del muscolo bicipite: con lo stesso muscolo posso tenere sollevato e fermo nel
tempo un oggetto che pesa un grammo, uno che pesa 10 grammi, o uno che pesa 500 grammi.
Chiaramente la forza che applico non è sempre la stessa, ma dipende dal carico a cui il muscolo è
sottoposto. Come si riesce a graduare in maniera così precisa la forza? Non basta lavorare sulla
frequenza di potenziali d’azione che la corteccia motoria invia al muscolo, bisogna anche attivare
un gruppo di fibrocellule muscolari che sia più o meno grande. Questo posso farlo perché il
muscolo non è un insieme unico, è formato da tante unità motorie, e a seconda di quante unità attivo
si attiveranno più o meno fibrocellule muscolari e quindi si svilupperà più o meno forza. Quindi
giocando sul reclutamento delle unità motorie e sulla frequenza di scarica della singola unità
motoria posso graduare la forza . È importante ricordare che ci sono muscoli che si attivano
principalmente tramite il reclutamento e muscoli che si attivano principalmente tramite la
modulazione di frequenza.
Per fare un esempio conclusivo: se un motoneurone controlla 10 fibrocellule muscolari sviluppa una
forza pari a 10, se ne ha 100 sviluppa una forza pari a 100 e così via. Quindi per sollevare un
oggetto che pesa 2 grammi attiverò il primo motoneurone, per sollevarne uno che pesa 500 grammi
attiverò il secondo un motoneurone.
6. Classificazione delle fibre muscolari
Le fibrocellule muscolari non sono tutte uguali, e ciò si nota facilmente guardando il preparato
istologico di un muscolo. Ci sono fibrocellule più rosse e
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