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Le cellule miocardiche e la loro contrazione

Gran parte della massa del cuore è costituita dalle cellule muscolari cardiache, o miocardio. La maggior parte del miocardio è contrattile, ma circa l'1% delle cellule miocardiche è specializzato nel generale spontaneamente potenziali d'azione. Queste cellule sono responsabili della proprietà caratteristica del cuore di contrarsi in assenza di uno stimolo esterno (ecco perché il cuore batte per pochi minuti anche quando strappato via, nei riti medioevali!). Il segnale per la contrazione del miocardio non proviene dal sistema nervoso, perciò miogeno, ma da cellule miocardiche specializzate dette cellule autoritmiche. Quest'ultime sono anche definite pacemaker perché controllano la frequenza del battito cardiaco. Queste cellule, però, sono anatomicamente distinte dalle cellule contrattili in quanto sono molto più piccole e contengono una quantità minore di fibre contrattili. Di conseguenza e dal momento che non possiedono sarcomeri organizzati, le cellule autoritmiche non contribuiscono alla forza contrattile del cuore. Le cellule contrattili, invece, sono tipiche cellule muscolari striate, con fibre contrattili organizzate in sarcomeri.
Le cellule muscolari cardiache, però, differiscono per diversi aspetti da quelle del muscolo scheletrico, mentre presentano alcune proprietà del tipiche del muscolo liscio:
(1) Le cellule muscolari cardiache sono molto più piccole di quelle muscolari scheletriche e possiedono un singolo nucleo, quindi non sono multinucleate;
(2) Le singole cellule miocardiche si ramificano e si collegano con le cellule adiacenti tramite le loro estremità per formare una rete complessa. Le giunzioni cellulari, note come dischi intercalari, sono costituiti da membrane che contengono desmosomi, strutture robuste che mantengono unite tra loro cellule adiacenti e permettono di trasferire la tensione generata in cellula a cellula adiacente;
(3) Le giunzioni comunicanti presenti nei dischi intercalari consentono la connessione elettrica di cellule adiacenti. Ne consegue che l'onda di depolarizzazione possa diffondere velocemente da cellula a cellula, facendo sì che le cellule cardiache si contraggano quasi simultaneamente;
(4) I tubuli T delle cellule miocardiche sono più grandi di quelli presenti nelle cellule muscolari scheletriche e si ramificano all'interno della cellula miocardica;
(5) Il reticolo sarcoplasmatico delle cellule miocardiche è meno esteso di quelle scheletriche, riflettendo il fatto che il miocardio pende in parte dal Ca2+ extracellulare per iniziare la contrazione;
(6) Circa un terzo del volume di una cellula cardiaca contrattile è occupato da mitocondri, a dimostrazione della forte richiesta di energia da parte di queste cellule.
Come abbiamo visto per il muscolo scheletrico, in cui l'acetilcolina rilasciata da un motoneurone somatico determinata la comparsa di un potenziale d'azione e poi l'inizio del processo noto come accoppiamento eccitazione-contrazione, anche nel miocardio il potenziale d'azione avvia l'accoppiamento eccitazione-contrazione, con la differenza che tale potenziale d'azione è originato in modo spontaneo a livello delle cellule pacemaker cardiache e si diffonde alle cellule contrattili attraverso le gap junctions (i neurotrasmettitori rilasciati dai neuroni, in questo caso, modulano la frequenza del pacemaker). Quando un potenziale d'azione raggiunge una cellula contrattile, esso diffonde lungo il sarcolemma e i tubuli T, a livello dei quali determina l'apertura dei canali voltaggio-dipendenti per il Ca2+ presenti nella membrana cellulare. Attraverso questi canali, il calcio entra nella cellula e promuove l'apertura dei recettori-canali per la rianodina presenti nel reticolo endoplasmatico. I recettori per la rianodina sono dei canali per il Ca2+ e la loro apertura innesca un processo noto come rilascio del Ca2+ calcio-indotto. Il Ca2+ accumulato nel reticolo sarcoplasmatico fluisce nel citosol, provocando una “scarica” di Ca2+. Il calcio diffonde attraverso il citosol verso gli elementi contrattili, dove gli ioni si legano alla troponina e innescano il ciclo di formazione dei ponti trasversali e quindi il movimento. La contrazione del miocardio si verifica attraverso lo stesso meccanismo di scorrimento dei filamenti che si ha nel muscolo scheletrico. Il rilasciamento del miocardio, invece, si verifica in modo simile a quanto visto nel muscolo scheletrico. Non appena la concentrazione di Ca2+ diminuisce, questi ioni si staccano dalla troponina, la miosina rilascia l'actina e i filamenti contrattili scorrono indietro verso la loro posizione di riposo, rilasciata. Gli ioni Ca2+ sono quindi trasportati nel reticolo sarcoplasmatico con l'aiuto di una Ca2+-ATPasi e da una proteina antiporto Na+-Ca2+.

Una proprietà caratteristica delle cellule muscolari cardiache è la capacità di una singola cellula muscolare di eseguire una contrazione graduata, in cui la cellula varia la quantità della forza che genera (ricordiamo che nel muscolo scheletrico la contrazione di una singola cellula è di tipo tutto-o-nulla per una certa lunghezza iniziale della fibra). La forza generata dal miocardio è proporzionale al numero di ponti trasversi attivi: questo numero è a sua volta determinato dalla quantità di Ca2+ legato alle molecole di troponina. Se la concentrazione del calcio nel citosol è bassa, alcuni ponti trasversali non vengono attivanti e la forza sviluppata sarà piccola. Se, invece, la concentrazione di Ca2+ è elevata abbiamo un maggior numero di ponti trasversali e la forza generata aumenterà. Un altro fattore che influenza la forza di contrazione nel miocardio è rappresentata dalla lunghezza del sarcomero all'inizio della contrazione. Infatti, la tensione generata è direttamente proporzionale alla lunghezza della fibra muscolare. Quando la lunghezza della fibra muscolare e la lunghezza del sarcomero aumentano, la tensione aumenta fino ad un valore massimo. 

Per quando riguarda i potenziali d'azione, dobbiamo dire che le cellule miocardiche contrattili sono simili sotto vari aspetti a quelli del muscolo scheletrico e dei neuroni. La fase di depolarizzazione rapida del potenziale d'azione è determinata dall'ingresso di Na+, mentre la fase di ripolarizzazione rapida è causata dall'uscita degli ioni K+ dalla cellula. Schematicamente avremo:
Fase 4: potenziale di membrana a riposo. Le cellule contrattili miocardiche possiedono un potenziale di risposo di circa -90 mV;
Fase 0: depolarizzazione. Quando un'onda di depolarizzazione invade una cellula contrattile attraverso le giunzioni comunicanti, il potenziale di membrana diventa più positivo. I canali voltaggio-dipendenti del Na+ si aprono, permettendo al sodio di entrare nella cellula e di depolarizzarla rapidamente. Il potenziale di membrana raggiunge circa +20 mV;
Fase 1: ripolarizzazione iniziale. Quando i canali Na+ si chiudono, la cellula comincia a ripolarizzarsi per l'uscita di K+ attraverso i canali K+ aperti;
Fase 2: il plateau. La ripolarizzazione iniziale è di breve durata. Il potenziale d'azione poi si “appiattisce” nel cosiddetto plateau, che si verifica in seguito a due eventi: una diminuzione della permeabilità al K+ e un aumento della permeabilità al Ca2+;
Fase 3: ripolarizzazione rapida. Il plateau termina quando i canali del Ca2+ si chiudono e la permeabilità della membrana al K+ aumenta di nuovo quando si aprono dei canali. Quindi il potassio esce rapidamente riportando la cellula al suo potenziale di riposo.
L'ingresso del Ca2+ durante la fase 2 prolunga la durata del potenziale d'azione miocardico. Questo impedisce che si verifichi una contrazione mantenuta nel tempo, denominata tetano. Questa è una caratteristica importante nella funzione del cuore, perché il miocardio tra una contrazione e l'altra deve rilasciarsi per permettere ai ventricoli di riempirsi di sangue.

Le cellule miocardiche autoritmiche possiedono, come abbiamo precedentemente detto, la peculiare capacità di generare potenziali d'azione spontaneamente in assenza di uno stimolo proveniente dal sistema nervoso. Questa proprietà deriva dal loro potenziale di membrana instabile che, partendo da -60 mV, lentamente sale verso il valore soglia per la scarica dei potenziali. Poiché il potenziale di membrana non è mai fisso su un valore costante, viene definito potenziale pacemaker piuttosto che potenziale di riposo. Ogni vota che il potenziale pacemaker depolarizza la cellula portandola al valore soglia, la cellula autoritmica genera un potenziale d'azione. Oggi sappiamo che quando il potenziale di membrana della cellula è -60 mV sono aperti canali ionici permeabili sia al K+ che al Na+. Questi canali chiamati canali If, si aprono a potenziali di membrana negativi e l'ingresso di Na+ supera l'uscita di K+. L'ingresso netto di cariche positive depolarizza lentamente le cellule autoritmiche. Man mano che il potenziale di membrana diventa sempre più positivo, i canali If gradualmente si chiudono e alcuni canali per il Ca2+ si aprono. Il successivo ingresso di calcio continua a depolarizzare la cellula e il potenziale di membrana si sposta gradualmente verso il valore soglia. Quando il potenziale di membrana raggiunge questo valore, altri canali del calcio si aprono. Gli ioni calcio irrompono nella cellula determinando la fase di depolarizzazione rapida del potenziale d'azione. Quindi come ben si può capire, la velocità con cui le cellule pacemaker si depolarizzano determina la frequenza alla quale il cuore si contrae (frequenza cardiaca). L'intervallo di tempo che separa i potenziali d'azione può essere modificato alterando la permeabilità della membrana delle cellule autoritmiche ai diversi ioni. L'aumento della permeabilità al Na+ e al Ca2+ accelererà la depolarizzazione e quindi la frequenza cardiaca. Invece, la diminuzione della permeabilità al Ca2+ o l'aumento della permeabilità al K+ diminuirà la velocità di depolarizzazione rallentando così la frequenza cardiaca. Ad esempio, la stimolazione ortosimpatica delle cellule pacemaker accelera la frequenza cardiaca. La noradrenalina (rilasciata dai neuroni ortosimpatici) e l'adrenalina (liberata dalla midollare del surrene) incrementano il flusso di ioni sia attraverso i canali If sia attraverso quelli per il Ca2+, accelerando la depolarizzazione della membrana, permettendo alle cellule di raggiungere più velocemente il potenziale soglia, e quindi la frequenza cardiaca aumenta. Invece, il neurotrasmettitore parasimpatico acetilcolina rallenta la frequenza cardiaca, attivando i recettori colinergici che influenzano i canali del K+ e del Ca2+ delle cellule pacemaker. La permeabilità al potassio aumenta, iperpolarizzando la cellula in modo che il potenziale pacemaker parte da un valore più negativo, mentre la permeabilità al Ca2+ diminuisce rallentando la velocità di depolarizzazione.
di Domenico Azarnia Tehran
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