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Il miocita muscolare è una cellula che si è differenziata per la funzione specializzata della contrazione. Sebbene le cellule muscolari cardiache, scheletriche e lisce abbiano molte funzionalità in comune, non hanno tutte le stesse caratteristiche, strutture anatomiche o meccanismi di contrazione.

Miocita muscolare scheletrico

I mioblasti muscolari scheletrici (miociti progenitori) si differenziano e si fondono in fibre muscolari multinucleate chiamate miofibrille che si comportano come un’unità. Queste miofibrille, a loro volta, sono composte da filamenti spessi e sottili sovrapposti (miofilamenti) che sono disposti longitudinalmente in sarcomeri. Così, l’accorciamento o la contrazione delle fibre muscolari scheletriche è il risultato dell’accorciamento dei sarcomeri. I filamenti spessi sono composti da miosina, che è un polipeptide proteico. Ogni molecola di miosina ha due teste globulari che sono coinvolte nella contrazione attraverso il legame dei filamenti sottili. I filamenti sottili includono l’actina (contiene un sito di legame per le teste di miosina), la tropomiosina e la troponina (ha tre subunità: troponina T, troponina I e troponina C). Queste strutture del sarcomero danno al muscolo scheletrico il suo aspetto striato e sono facilmente visibili alla microscopia elettronica.

I miociti scheletrici contengono anche strutture chiamate tubuli T che sono estensioni della membrana plasmatica del miocita. Sono aperti allo spazio extracellulare e hanno la funzione di portare potenziali depolarizzanti allo spazio intracellulare, permettendo contrazioni coordinate. Inoltre, i tubuli T contengono recettori diidropiridinici che sono essenziali per la contrazione dopo l’eccitazione del miocita. Il reticolo sarcoplasmatico (SR) è una struttura fondamentale nel miocita del muscolo scheletrico. È il sito di stoccaggio e regolazione del calcio (Ca2+) nel miocita. Il SR contiene cisterne terminali che si accoppiano meccanicamente con i tubuli T e i recettori di rianodina sensibili al voltaggio che sono canali che rilasciano Ca2+. Il SR ha anche un canale Ca2+ -ATPasi che pompa Ca2+ di nuovo nel SR dallo spazio intracellulare dopo l’eccitazione. Nel muscolo scheletrico, un tubulo T lega due cisterne terminali in una disposizione a triade.

Il modello più popolare per comprendere la contrazione muscolare è il modello del filamento scorrevole, che descrive l’accorciamento del sarcomero mediante interazioni ricorrenti miosina/actina. Durante ogni interazione, le teste della miosina lavorano per portare le estremità libere dell’actina adiacenti più vicine al centro del sarcomero. Nel miocita del muscolo scheletrico a riposo, la tropomiosina blocca i siti di legame della miosina sull’actina.

1. Quando un significativo potenziale depolarizzante della piastra terminale del motore supera la soglia del miocita scheletrico, la cellula spara un potenziale d’azione.
2. Questo potenziale depolarizzante si propaga ai tubuli T, causando un cambiamento conformazionale nei recettori diidropiridinici.
3. Anche le cisterne terminali accoppiate meccanicamente subiscono un cambiamento conformazionale, inducendo il rilascio di Ca2+ dal SR e un aumento della concentrazione intracellulare di Ca2+.
4. Il Ca2+ si lega alla troponina C, causando un cambiamento conformazionale nella troponina che sposta la tropomiosina dal sito di legame della miosina sull’actina. Nota: in presenza di Ca2+, la troponina C rimane in questa configurazione, lasciando il sito di legame della miosina sull’actina disponibile per le interazioni con la miosina.
5. All’inizio, nessun trifosfato di adenosina (ATP) è legato alla miosina causando il legame della miosina all’actina (la mancanza permanente di ATP causa un’interazione permanente tra miosina e actina ed è il meccanismo dietro il rigor mortis).
6. L’ATP lega poi la miosina e la miosina si dissocia dall’actina.
7. L’idrolisi di questo ATP legato ad ADP più fosfato inorganico induce un cambiamento della miosina in “posizione armata”. Nota: solo l’ADP rimane attaccato alla miosina.
8. La testa della miosina interagisce quindi con l’actina in un altro sito di legame.
9. L’ADP viene rilasciato dalla miosina causando un altro cambiamento che risulta nel “colpo di potenza”. In questo momento, la miosina è legata all’actina e rimarrà legata senza altro ATP.
10. Un’altra molecola di ATP lega la miosina. Il ciclo continua, accorciando il sarcomero mentre la miosina scivola lungo l’actina.

La distensione avviene quando c’è una diminuzione dei potenziali eccitatori della placca terminale del motore, una diminuzione dei potenziali d’azione e la ripolarizzazione del miocita. Il Ca2+ viene sequestrato di nuovo nel SR dalle pompe Ca2+ -ATPasi, diminuendo l’intracellulare. Questi miociti contengono anche scambiatori Na+/Ca2+ sulla superficie cellulare che usano il gradiente elettrochimico del Na+ per scambiare Na+ nella cellula in cambio di Ca2+ fuori dalla cellula. Il Ca2+ si dissocia dalla troponina C, e la tropomiosina blocca nuovamente i siti di legame della miosina sull’actina.

Alcuni punti chiave da notare sul sarcomero al microscopio elettronico sono i seguenti. Il sarcomero appare tra le linee Z, e la contrazione approssima queste linee Z. La contrazione provoca l’accorciamento di entrambe le bande H (solo i filamenti spessi) e I (solo i filamenti sottili). La banda A (lunghezza di un filamento spesso con sovrastante filamento sottile) nel sarcomero rimane sempre la stessa lunghezza.

I seguenti punti sono degni di nota sulle contrazioni muscolari. Il muscolo scheletrico è sotto controllo volontario, ad eccezione dei riflessi e del diaframma durante la respirazione involontaria. I neuroni motori inferiori innervano questi miociti dal midollo spinale e rispondono al neurotrasmettitore acetilcolina (ACh). Quando l’ACh lega i suoi recettori sul miocita, il sodio (Na+) può entrare nella cellula, causando la depolarizzazione di cui sopra. La massima tensione muscolare si verifica quando c’è una sovrapposizione ottimale di filamenti spessi e sottili. Cioè, tutte le teste di miosina possono interagire con l’actina. Se la fibra muscolare è allungata troppo, l’interazione dei filamenti spessi e sottili diminuisce. Inoltre, se il muscolo si accorcia troppo, le grandi teste di miosina si affollano l’una sull’altra, diminuendo le interazioni tra i filamenti. Infine, la velocità massima che una fibra muscolare può contrarre diminuisce all’aumentare del carico sul muscolo.

Miocita muscolare liscio

Come il muscolo scheletrico, anche le cellule muscolari lisce contengono filamenti spessi e sottili. Tuttavia, a differenza del muscolo scheletrico, questi miofilamenti non sono organizzati in sarcomeri longitudinali e non contengono troponina. La mancanza di sarcomeri e quindi la mancanza di striature, dà al muscolo liscio il suo nome. I miociti del muscolo liscio si fondono per formare tre tipi di muscoli. I miociti che si contraggono come unità separate sono chiamati muscoli lisci a più unità. Si trovano nell’iride dell’occhio o nei vasi deferenti. Il muscolo liscio a più unità è di solito altamente innervato e sotto controllo autonomo. Le cellule muscolari lisce che si contraggono insieme sono chiamate muscolo liscio a unità singola. Sono più comuni e possono essere presenti nel tratto gastrointestinale, nella vescica e nell’utero.

In contrasto con il muscolo liscio a più unità, le cellule muscolari lisce a unità singola comunicano altamente per contrazioni coordinate. Queste cellule sono sotto controllo autonomo e modulate da ormoni o neurotrasmettitori. Infine, i miociti del muscolo liscio possono differenziarsi in muscolo liscio vascolare. Queste cellule sono anche responsabili della regolazione della pressione sanguigna.

Il meccanismo di contrazione del muscolo liscio è diverso da quello descritto sopra per il muscolo scheletrico. Tuttavia, proprio come una cellula muscolare scheletrica, un aumento intracellulare è il fattore critico coinvolto nella contrazione muscolare. Diversi meccanismi possono causare un aumento intracellulare nel miocita muscolare liscio. La depolarizzazione del miocita dopo che l’ACh lega i suoi recettori sulla superficie cellulare, che successivamente apre i canali del Ca2+ di tipo L legati al voltaggio. L’apertura dei canali del Ca2+ sulla membrana del miocita secondaria all’ormone o al neurotrasmettitore che lega il suo recettore (ligand-gated). Gli ormoni o i neurotrasmettitori inducono il rilascio di Ca2+ dal reticolo sarcoplasmatico (SR) attraverso i canali del Ca2+ legati all’inositolo 1,4,5-trifosfato (IP3). Indipendentemente dal meccanismo di aumento, il meccanismo a valle rimane lo stesso.

1. Il Ca2+ lega una molecola chiamata calmodulina.
2. Il complesso Ca2+-calmodulina attiva successivamente un enzima chiamato miosina catena leggera chinasi. (Le chinasi hanno lo scopo di fosforilare).
3. Quindi, la miosina catena leggera chinasi fosforila (aggiunge un gruppo fosfato) alla miosina.
4. La miosina fosforilata si lega all’actina e inizia la contrazione attraverso il ciclo a ponti incrociati menzionato sopra nel muscolo scheletrico. Nota: Il meccanismo di utilizzo dell’ATP per la contrazione muscolare nel muscolo scheletrico è lo stesso nel muscolo liscio.
5. Una diminuzione dell’attività intracellulare e un aumento di un enzima chiamato fosfatasi della catena leggera della miosina (rimuove il fosfato dalla miosina) produce il rilassamento.

La diminuzione intracellulare viene pompata indietro nel SR dalle pompe ATPasi o dagli scambiatori Na+/Ca2+ sulla superficie cellulare.

Nota: Gli ormoni che producono contrazione o rilassamento della muscolatura liscia, lo fanno modulando la fosfatasi intracellulare o della catena leggera della miosina. Per esempio, l’ossido nitrico fornisce il rilassamento aumentando l’attività della fosfatasi della catena leggera della miosina.

Il miocita muscolare cardiaco

La fisiologia del miocita cardiaco è più intricata del muscolo scheletrico o liscio, anche se condivide alcune somiglianze. Il miocita cardiaco contiene sarcomeri come il muscolo scheletrico, quindi è striato. Il meccanismo di accorciamento dei miociti è lo stesso del muscolo scheletrico menzionato sopra. I miociti cardiaci hanno strutture uniche che sono vitali per il corretto funzionamento del cuore. I dischi intercalari che sono presenti alla periferia della cellula, mantengono l’adesione tra i miociti. Le giunzioni di gap, che sono presenti nei dischi intercalati, permettono la comunicazione elettrica tra le cellule. La rapida diffusione del potenziale depolarizzante tra cellule adiacenti aiuta le contrazioni coordinate, che sono vitali per la sopravvivenza. Anche i miociti cardiaci contengono tubuli T. Tuttavia, a differenza del muscolo scheletrico, un tubulo T lega una cisterna terminale in una disposizione diadica. Il reticolo sarcoplasmatico è presente nei miociti cardiaci e svolge anche la funzione di stoccaggio del Ca2+.

Il potenziale d’azione in un miocita cardiaco è unico. Consiste in una fase di riposo chiamata fase 4, che è mantenuta dalla permeabilità cellulare al potassio (K+) fuori dalla cellula. La fase 4 è seguita dalla fase 0, che è caratterizzata da una rapida salita/depolarizzazione dovuta all’apertura dei canali Na+ voltaggio-gettati e all’afflusso di Na+ nella cellula. La fase 1 è la ripolarizzazione iniziale causata dalla chiusura dei canali Na+ e dall’apertura dei canali K+ voltaggio-gettati. La fase 2 è chiamata fase di plateau. Nella fase 2, il Ca2+ entra nelle cellule attraverso i canali Ca2+ voltaggio-gettati, mentre il K+ continua a lasciare la cellula. Questo equilibrio di cationi in entrata e in uscita mantiene la fase di plateau. Nella fase 3, i canali del Ca2+ si chiudono e il rapido efflusso attraverso i canali del K+ aperti porta alla ripolarizzazione della cellula.

Il miocita cardiaco può ricevere il suo stimolo dalle cellule pacemaker cardiache nel nodo SA o AV, il fascio di His, i rami del fascio o le cellule di Purkinje.

1. Il potenziale d’azione da queste cellule (generalmente nodo SA e nodo AV), si diffonde lungo la membrana del miocita cardiaco nei tubi T.
2. Il Ca2+ entra nella cellula durante la fase 2 attraverso i canali del Ca2+ di tipo L.
3. L’ingresso del Ca2+ induce il rilascio di Ca2+ dal SR, altrimenti detto rilascio di Ca2+ indotto.
4. Le concentrazioni di Ca2+ aumentano, e possono legare la Troponina C e provocare i cicli di ponti incrociati miosina/actina menzionati sopra nella sezione del miocita scheletrico.
5. La distensione avviene quando il Ca2+ è ripreso nel SR dalle pompe Ca2+-ATPasi o dagli scambiatori Na+/Ca2+ sulla membrana cellulare.

La tensione del muscolo cardiaco e la capacità di contrarsi sono direttamente proporzionali alla concentrazione intracellulare di Ca2+. Quindi, i fattori che aumentano il Ca2+ intracellulare causano un aumento della forza di contrazione. Per esempio, con l’aumento della frequenza cardiaca, il Ca2+ comincia a accumularsi nel miocita e provoca anche contrazioni cardiache più forti. Precarico è un termine che indica il volume endodiastolico (classicamente legato alla pressione atriale destra). Quando un maggior volume di sangue riempie una camera cardiaca, i miociti si allungano e il risultato sono contrazioni più forti. Questo fenomeno è chiamato relazione Frank-Starling e può essere legato a un aumento della concentrazione di Ca2+ indotto dallo stiramento. Questa relazione corrisponde al ritorno venoso al cuore e alla portata cardiaca del cuore. Il postcarico è la pressione contro la quale i miociti devono contrarsi. La velocità massima di contrazione diminuisce con l’aumento del postcarico.