Lezioni, Fisiologia

I muscoli scheletrici

I muscoli scheletrici sono inseriti sulle ossa e controllano i movimenti. Sono classificati come striati per le bande chiare e scure visibili al microscopio ottico. Sono volontari e si contraggono solo in risposta a stimoli provenienti dai motoneuroni. La zona che mette in comunicazione il sistema nervoso periferico con il muscolo è la giunzione neuromuscolare.

Struttura e funzione dei muscoli scheletrici

La fibrocellula è la cellula muscolare scheletrica polinucleata, avvolta da una membrana, il sarcolemma, il cui citoplasma è detto sarcoplasma. Le principali strutture intracellulari sono le miofibrille, fasci di proteine elastiche e contrattili responsabili della contrazione. Le fibrocellule contengono inoltre il reticolo sarcoplasmatico, che concentra ioni calcio all'interno del suo sacco a riposo e li rilascia durante la contrazione.

Associata al reticolo vi è una fitta rete di tubuli trasversi, i tubuli T, invaginazioni del sarcolemma il cui lume è a contatto con il liquido extracellulare. Questo permette al potenziale d'azione originato sulla superficie cellulare a livello della giunzione neuromuscolare di passare rapidamente all'interno della cellula.

Componenti delle miofibrille

Le miofibrille sono costituite da proteine contrattili (miosina, filamenti spessi e actina, filamenti sottili) e proteine regolatorie (tropomiosina e troponina). Sono composte da:

• Dischi Z: Strutture proteiche a zigzag che fungono da siti di attacco per i filamenti sottili di actina e dividono a metà le...
• Bande I: Più chiare perché formate dai filamenti di actina che si legano alle...
• Bande A: Più scure, coprono l'intera lunghezza dei filamenti spessi di miosina. Alle estremità filamenti spessi e sottili si sovrappongono, al centro vi è una zona più chiara in quanto la banda è formata solo da miosina (zona H). Sono divise a metà dalla...
• Linea M: Sito di attacco dei filamenti di miosina.

La regione compresa tra due dischi Z e i filamenti tra essi compresi è detta sarcomero ed è l'unità funzionale del muscolo.

Contrazione e ciclo dei ponti trasversi

Il potenziale di membrana a riposo della fibrocellula è di -80 mV. Quando il motoneurone invia lo stimolo al terminale presinaptico, questo apre i canali voltaggio dipendenti del calcio che entra e modifica la conformazione delle proteine che compongono le vescicole presenti all'estremità del terminale e contenenti acetilcolina. Queste vescicole si fondono con la membrana e liberano il loro contenuto nel vallo intersinaptico. L’esocitosi delle vescicole libera l’acetilcolina che arriva alla giunzione neuromuscolare e si lega ai suoi recettori, i recettori nicotinici (ionotropici, che permettono il flusso ionico attraverso la membrana).

Ricevuta l’acetilcolina, i canali ionici voltaggio dipendenti si aprono, facendo entrare sodio che eccede l’uscita di potassio. L’aggiunta di carica positiva netta alla membrana la depolarizza dando origine a un potenziale di placca di -60 mV, che supera sempre il valore soglia di -55 mV e genera un potenziale d'azione. Il potenziale si muove sulla membrana e verso l'interno attraverso i tubuli T, dove attiva i recettori diidropiridina, che aprono i canali del calcio del reticolo sarcoplasmatico. Il calcio diffonde nel citosol e si lega alla troponina, permettendo il legame actina-miosina.

• Prima fase: La tropomiosina avvolge l'actina e blocca il sito di legame per la miosina, che è obliqua rispetto al filamento sottile e alla quale è legata una molecola di ATP.
• Quando il calcio si lega alla troponina, facendo ritirare il filamento di tropomiosina, sblocca i siti di legame per la miosina che idrolizza l'ATP in ADP e fosfato inorganico e sfruttando l'energia oscilla all'indietro per formare un legame debole con l'actina, perpendicolarmente.
• La miosina, abbassandosi, si aggancia all'actina ed esprime la forza (miosina come molla stirata). Quando il fosfato viene rilasciato inizia la rotazione della testa della miosina (colpo di frusta, torna obliqua all’actina) che fa scorrere l’actina verso il centro, accorciando il sarcomero e tutta la fibra.
• Alla fine della rotazione, la miosina rilascia l'ADP ed è strettamente adesa all'actina, creando uno stato di rigor (non sono presenti nucleotidi).
• Quando una nuova molecola di ATP si attacca alla miosina, questa si stacca dall’actina, mentre troponina e tropomiosina tornano al sito di attacco del filamento sottile.

Questo processo si ripete più volte durante una contrazione finché il sito di attacco è scoperto e quindi fino a quando il calcio non viene richiamato nel reticolo sarcoplasmatico.

Un tipico potenziale d'azione muscolare dura 1-3 ms, mentre la scossa muscolare dura 100 ms. Se i potenziali d'azione ripetuti sono separati da lunghi intervalli di tempo, le fibre muscolari hanno il tempo di rilasciarsi completamente prima dello stimolo successivo. Se gli intervalli tra le contrazioni si accorciano, la fibra muscolare non si sarà completamente rilasciata al tempo del secondo stimolo, quindi avrà una contrazione più intensa, detta sommazione. Se i potenziali d'azione continuano a stimolare la fibra in intervalli brevi, il rilasciamento tra le contrazioni diminuirà fino a quando la fibra muscolare non avrà raggiunto lo stato di contrazione massimale, detto tetano.

I muscoli lisci

I muscoli lisci sono i tipi principali di muscoli degli organi interni, cavi, come stomaco, vescica, vasi sanguigni ecc. Sono involontari e la loro attività è modulata anche dal sistema endocrino. La muscolatura liscia è più lenta a rispondere di quella striata ma, a differenza di quest’ultima, può sostenere la contrazione per lunghi periodi senza affaticarsi (organi cavi, carico continuato). Alcuni muscoli lisci sono tonicamente contratti come gli sfinteri di esofago e vescica.

Struttura e funzionamento dei muscoli lisci

Le fibre contrattile sono disposte in fasci obliqui (invece che in sarcomeri paralleli come nel muscolo scheletrico) e la contrazione stira la membrana in diverse direzioni. Inoltre, all’interno di un organo gli strati di muscolo liscio sono disposti in varie direzioni. Le fibre sono piccole cellule mononucleate.

Actina e miosina sono disposte in lunghi fasci che si estendono in diagonale alla periferia della cellula, formando una rete intorno al nucleo centrale. I filamenti di actina sono tenuti insieme dai corpi densi (assimilabili alle strie Z), mentre i filamenti di miosina sono meno numerosi e giacciono tra le fibre lunghe di actina. Sono caratterizzati da un’attività ATPasica più lenta di quelle del muscolo scheletrico, e quindi una fase contrattile più lunga. Le cellule sono legate da gap junction formando la muscolatura liscia unitaria. Il muscolo liscio può anche essere multi unitario ma deve essere associato ad un terminale assonale o a una varicosità. La cellula diventa tondeggiante quando si contrae.

Contrazione e rilasciamento del muscolo liscio

Contrazione:

• Il calcio entra nelle fibre dall’ambiente extracellulare e innesca il rilascio di una quota ulteriore di calcio dal reticolo sarcoplasmatico;
• Il calcio si lega alla calmodulina;
• Il complesso calcio-calmodulina si lega con la chinasi della catena leggera della miosina, rimuovendo un gruppo fosfato;
• Il complesso chinasi-calmodulina-calcio attiva la miosina;
• La chinasi della catena leggera della miosina fosforila le catene proteiche leggere della testa della miosina;
• La fosforilazione ripristina l’attività ATPasica e permette la formazione dei legami dei ponti trasversali e la contrazione.
• (In alcuni casi la regolazione della miosina viene integrata da quella dell’actina che si lega ad una proteina regolatrice detta caldesmone, inibendo il legame actina-miosina. Se il caldesmone viene fosforilato, non si lega più all’actina, consentendo ad actina e miosina di interagire.)

Rilasciamento:

• La miosina fosfatasi rimuove il gruppo fosfato dalla miosina, diminuendo la sua attività ATPasica;
• Il calcio viene rimosso dal citoplasma utilizzando sia proteine di antiporto calcio-sodio sia la calcio ATPasi;
• La calmodulina, quindi, rilascia il calcio e si stacca dalla chinasi della catena leggera della miosina che viene fosforilata da proteine chinasi che la inattivano;
• (In alcuni casi la rimozione del fosfato dal caldesmone, permette l’inattivazione dell’actina.)

La contrazione del muscolo liscio può essere generata da:

• Uno stimolo nervoso;
• Ormoni e sostanze paracrine, che agiscono sui recettori che si trovano sul sarcolemma liberando calcio dal reticolo sarcoplasmatico e avviando direttamente la contrazione;
• Da stiramento del muscolo, che provoca l’apertura di canali del calcio sensibili allo stiramento. Questi si aprono quando la pressione o altre forze distorcono la membrana cellulare, permettendo al calcio di entrare e avviare la contrazione (contrazione miogena).

Cuore e sistema cardiovascolare

Il sangue, come i liquidi e i gas nell’organismo, si muove da una zona ad alta pressione ad una a pressione inferiore. Negli esseri umani l’aumento viene generato a livello delle camere cardiache quando si contraggono. Il gradiente di pressione diminuisce man mano che il sangue si allontana dal cuore (massima pressione a livello dell’aorta, 93 mmHg).

Pressione

La pressione corrisponde alla forza esercitata dal liquido sulle pareti del suo contenitore.

• Pressione idrostatica (se il liquido non è in movimento), è esercitata egualmente in tutte le direzioni.
• Pressione idraulica (se il liquido è in movimento), diminuisce con la distanza.
• Pressione di spinta generata all’interno dei ventricoli, è la forza che spinge il sangue nei vasi.

Regole del sistema cardiovascolare

• Gradiente di pressione: Differenza di pressione presente tra le due estremità di un tubo attraverso il quale scorre il liquido.
• Resistenza del sistema di condotti che si oppone al flusso. È influenzata da lunghezza del sistema, raggio del vaso e viscosità del sangue. Nel sistema circolatorio lunghezza e viscosità sono costanti, è quindi il raggio a determinare un cambiamento: se il raggio viene ridotto (vasocostrizione) il flusso sarà diminuito; se il raggio viene aumentato (vasodilatazione) il flusso sarà aumentato.
• Volume del flusso: È il volume di sangue che attraversa una sezione trasversa in un determinato tempo. È determinato dal gradiente di pressione e dalla resistenza del sistema.
• Velocità del flusso: Distanza percorsa da un ipotetico globulo rosso in un determinato periodo di tempo. A volume costante è determinata dall’area della sezione.

Il cuore

• Nella parte destra del cuore arriva il sangue venoso, qui la PCO₂ è di 46-47 mmHg e quella dell’O₂ di 40.
• Nella parte sinistra del cuore arriva il sangue arterioso, qui la PCO₂ è di 40 mmHg e quella dell’O₂ di 100.

Cellule muscolari miocardiche

• Il miocardio è costituito da cellule muscolari striate, sono più numerose ed hanno fibre contrattili organizzate in sarcomeri e mononucleate. Un terzo del loro volume è occupato da mitocondri, questo spiega la forte richiesta di energia. Le singole cellule muscolari si collegano alla vicine tramite le loro estremità per formare una rete complessa. Le giunzioni sono dette dischi intercalari e sono costituite da membrane collegate da desmosomi che mantengono unite le cellule e da gap junctions che collegano elettricamente le cellule.
• Potenziale di membrana a riposo: -90 mV.
• Cellule pacemaker, costituiscono l’1% del miocardio e sono specializzate nel generare spontaneamente un potenziale d’azione. Il segnale della contrazione è miogeno (origina all’interno del muscolo stesso). Sono cellule più piccole e possiedono una minor quantità di fibre contrattili, per questo non contribuiscono alla forza contrattile del cuore.
• Potenziale pacemaker: -60 mV.

Potenziale d'azione delle miofibrille

• Quando un’onda di depolarizzazione invade una cellula contrattile attraverso le giunzioni, il potenziale di membrana (a riposo -90 mV) diventa più positivo, si aprono i canali del sodio voltaggio dipendenti permettendo al sodio di entrare nella cellula e depolarizzarla rapidamente.
• Il potenziale raggiunge circa i +20 mV prima che inizi la ripolarizzazione con la chiusura dei canali del sodio. A questo punto la cellula comincia a ripolarizzarsi per l’uscita di potassio attraverso i canali aperti del potassio.
• Fase plateau, che si verifica in seguito a due eventi:
  • Si chiudono alcuni canali del potassio;
  • Si aprono i canali del calcio (che avevano già iniziato nelle prime due fasi) permettendo al calcio di entrare.
• La fase plateau termina quando i canali del calcio si chiudono e si aprono i canali del potassio (attivati dalla depolarizzazione, ma si aprono in ritardo) che esce rapidamente.
• La cellula torna alla fase iniziale, con un potenziale di membrana a riposo di -90 mV.

L’ingresso del calcio prolunga la durata del potenziale di azione (di 200 ms o più). Questo impedisce che la contrazione diventi tetanica, come succede nelle cellule muscolari scheletriche, perché il miocardio deve rilassarsi tra una contrazione e l’altra per permettere ai ventricoli di ricevere il sangue.

Periodo refrattario

Il periodo refrattario è il periodo in cui non si crea un altro potenziale d’azione fino a che la cellula non è tornata al suo potenziale di riposo. Nella cellula muscolare scheletrica il periodo refrattario è breve e la ripolarizzazione è quasi terminata quando inizia la contrazione, quindi un secondo potenziale immediatamente dopo il primo causerà la sommazione delle contrazioni.

Nel muscolo cardiaco, invece, il periodo refrattario è lungo grazie alla fase plateau e termina quasi contemporaneamente alla contrazione. Questo non permette la sommazione delle contrazioni e quindi il tetano.

Accoppiamento eccitazione-contrazione

Un potenziale d’azione nella cellula muscolare costituisce il segnale di inizio della contrazione. La depolarizzazione apre i canali voltaggio dipendenti del calcio che entra dall’ambiente extracellulare e innesca il meccanismo definito rilascio calcio-indotto del calcio, ovvero l’ingresso di calcio innesca il rilascio di altro calcio dal reticolo sarcoplasmatico. Il calcio diffonde poi nel citosol, si lega alla troponina e permette il ciclo dei ponti trasversali e quindi il movimento.

Il rilasciamento si verifica quando gli ioni calcio si staccano dalla troponina a seguito della diminuzione di calcio nel citosol e quindi una parte di questo viene trasportato di nuovo all’interno del reticolo sarcoplasmatico per mezzo di una calcio ATP-asi, un’altra parte viene espulsa dalla cellula in cambio di sodio. Questo cotrasportatore utilizza l’energia del sodio che entra secondo gradiente per trasportare fuori calcio contro gradiente. Il sodio torna poi al liquido extracellulare per mezzo della pompa sodio potassio.

Potenziale d'azione delle cellule pacemaker

La proprietà delle cellule autoritmiche di generare un potenziale d’azione spontaneamente, in assenza di uno stimolo nervoso, deriva dal loro potenziale di membrana instabile che parte da -60 mV e sale verso il valore soglia. Viene definito potenziale pacemaker piuttosto che potenziale di membrana a riposo e, depolarizzando la cellula ogni volta che raggiunge il valore soglia (-40 mV), crea un potenziale d’azione. Le cellule pacemaker possiedono canali diversi da quelle delle altre cellule.

• Quando il potenziale è a -60 mV sono aperti dei canali permeabili sia al sodio che al potassio, chiamati canali I(f). Questi si aprono a potenziali di membrana negativi e l’ingresso del sodio supera l’uscita di potassio. L’ingresso netto di cariche positive depolarizza lentamente la membrana, fino a quando i canali I(f) si chiudono e alcuni canali per il calcio si aprono.
• L’ingresso del calcio continua la depolarizzazione e il potenziale si muove verso il valore soglia (-40 mV). Una volta raggiunto molti canali del calcio sono aperti e gli ioni irrompono nella cellula determinando la fase di depolarizzazione rapida.
• Raggiunto il picco del potenziale d’azione i canali del calcio si chiudono e si aprono i canali lenti del potassio che, uscendo, permette la ripolarizzazione della membrana.

La frequenza cardiaca è modulata dal sistema nervoso:

• Simpatico: Aumenta la velocità di depolarizzazione, e quindi la frequenza perché il valore soglia è raggiunto più velocemente;
• Parasimpatico (dominante): Iperpolarizza il potenziale di membrana, diminuisce la frequenza perché rallenta la velocità di depolarizzazione.

Conduzione elettrica

Coinvolge:

• Nodo senoatriale: Gruppo di cellule autoritmiche, situato nell’atrio destro in prossimità dello sbocco della vena cava superiore, è il principale pacemaker cardiaco, in quanto è il più veloce (il ritmo di depolarizzazione spontaneo delle cellule pacemaker è 90-100 bpm, ma questo viene rallentato dal sistema nervoso parasimpatico fino a 70 bpm), e determina la frequenza cardiaca. Una rete internodale lo connette al...
• Nodo atrioventricolare: Posto in prossimità del pavimento dell’atrio destro ed ha una velocità di circa 50 bpm. Da esso il potenziale passa a fibre denominate...
• Fascio di His: Che si dirige dal nodo atrioventricolare verso la parete settale che divide i ventricoli e si divide in una branca destra e una sinistra. Queste, una volta raggiunto l’apice del cuore si suddividono nelle fibre del Purkinje (circa 25/40 bpm), che si diramano tra le cellule contrattili.