Fisiologia muscolare, del circolo capillare, di sangue e coagulazione e della vista

Il ruolo del tubulo T nella contrazione muscolare

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 escamotagestrutturale 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 quasibianco. 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

farentrare calcio nella parte terminale di una depolarizzazione molto lunga, perché la quota inizialedipende solo dal recettore rianodinico​ . Quando ho una depolarizzazione fisiologica, che dura 5millisecondi, tutto il calcio che entra nella cellula dipende dal recettore rianodinico. Se avessi lapossibilità di allungare la depolarizzazione, allora anche il recettore DHP si attiverebbetardivamente e farebbe entrare il calcio.Dato che la quantità di calcio che entra è direttamente proporzionale alla contrazione, in questilavori abbiamo dimostrato che l’elevata miotonia dipende dal fatto che un’alterazione del canale delcloro della cellula muscolare porta a una depolarizzazione allungata, che causa l’apertura delrecettore DHP e il conseguente ingresso di calcio anche dall’esterno. Il risultato è un’eccessivacontrazione.Quindi il canale DHP è effettivamente un canale del calcio, che si apre tardivamente ed è longlasting.

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 controgradiente, 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

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 rilascia 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​, men