Struttura e significato fisiologico dei canali, delle pompe e degli scambiatori ionic

Il doppio strato fosfolipidico che compone una qualsiasi membrana cellulare permette la

diffusione delle sostanze lipofile tra il liquido intra ed extracellulare, ma non di quelle

idrofile (i.e. i composti ionici e polari). Queste ultime possono attraversarla solo mediante delle proteine transmembrana selettive per determinati ioni391_{. Un corretto}

equilibrio ionico inter e intracellulare è fondamentale per il mantenimento di un certo

range di valori del potenziale di membrana, per il mantenimento dell'equilibrio

osmotico e per tutti i fenomeni di trasduzione del segnale. La depolarizzazione (i.e. il raggiungimento di valori più positivi) o la ripolarizzazione (i.e. il raggiungimento di valori più negativi) del potenziale di membrana dipende dai flussi ionici intermembrana, i quali vengono regolati dai canali ionici. Il comportamento fisiologico dei canali ionici trova una perfetta spiegazione nella loro morfologia: esse sono delle molecole proteiche composte da un numero variabile di subunità che si associano simmetricamente generando un poro centrale che permette il passaggio dello ione all'interno del canale. La porzione superiore del poro è detta “filtro di selettività”: ogni poro ha un diametro con un valore di Ångstrom determinato che permette l'entrata di un certo tipo di ioni e non di altri. In tal senso si parla di “filtro di selettività”. Gli amminoacidi del poro fungono da ligandi proteici per lo ione, che si muove grazie a un ottimale livello di energia libera (determinata dal gradiente elettrochimico) in un verso o nell'altro del canale.

391 Le proteine transmembrana vanno incluse in un gruppo molto più esteso che prende il nome di “proteine di trasporto”. Esse non solo mediano tutti i movimenti ionici transmembrana, ma anche tutti i fenomeni biologici di natura elettrochimica. Le proteine di trasporto rendono altresì possibile lo spostamento intermembrana di macromolecole che, a causa delle dimensioni, non possono diffondere attraverso il doppio strato fosfolipidico.

Il trasporto ionico transmembrana è detto “passivo” quando il movimento dello ione avviene secondo il proprio gradiente di concentrazione: è un processo esoergonico che non richiede un apporto energetico ulteriore per poter avvenire. Si parla di un trasporto ionico “attivo” quando, al contrario, il movimento ionico avviene contro il proprio gradiente di concentrazione: il processo è di per sé endoergonico e per poter avvenire richiede l'energia generalmente proveniente dalla rottura di legami fosfoesterici della molecola di ATP.

La meccanica della contrazione è legata nei tre tipi di tessuto muscolare dell'organismo umano (scheletrico, liscio e cardiaco) al flusso di ioni Ca2+ _{provenienti o dal reticolo}

sarcoplasmatico o dal liquido extracellulare del tubulo trasverso. La deplezione dal sarcolemma392 _diCa2+ _{induce l'apertura dei canali del Ca}2+ _{voltaggio dipendenti tipo L}

determinando l'ingresso di Ca2+ _{nel citosol. L'aumento della concentrazione citosolica di}

Ca2+_{,a sua volta, induce l'apertura dei canali del Ca}2+ _{del reticolo sarcoplasmatico (noti}

anche come “recettori rianodinici” -Ryr-), determinando il rilascio di Ca2+ _{dal reticolo}

sarcoplasmatico nel citosol (fenomeno denominato “calcium induced calcium release”).

L'andamento differente del potenziale d'azione nella fibra del muscolo ventricolare e nella fibra del nodo seno-atriale dipende da tempi differenti di apertura e chiusura dei loro canali ionici. Nella fibra del nodo seno atriale il potenziale di membrana a riposo è molto meno negativo rispetto a quello delle fibre del muscolo ventricolare (-55 mV contro -90 mV)393_{. Al valore di -55mV i canali veloci sensibili per il sodio sono chiusi.}

Pertanto, la depolarizzazione che fa passare il potenziale di membrana da -55 a -40 mV, consentendo la genesi del potenziale d'azione, avviene grazie all'apertura dei canali lenti sodio-calcio. Il potenziale d'azione nel nodo seno atriale si sviluppa più lentamente rispetto a quello del muscolo ventricolare e si conclude più velocemente rispetto a quest'ultimo senza originare il caratteristico plateau tipico del potenziale d'azione della fibra muscolare ventricolare. Nel caso, invece, del potenziale d'azione nella fibra

ventricolare, esso scaturisce dall'apertura di due tipi di canali: 1) i canali del sodio rapidi

che favoriscono l'entrata di cationi Na+ _{per un intervallo di tempo piuttosto ristretto e 2)}

393 Il motivo per cui le fibre del nodo SA hanno un valore del potenziale di membrana a riposo meno negativo risiede nel fatto che la membrana è maggiormente permeabile ai cationi sodio e calcio. Essi entrano con più facilità concorrendo a rendere meno negativo il potenziale di membrana.

Figura 7: Principali processi del pathway metabolico del calcio in un cardiomiocita (fonte: Hurst, Il cuore, 2009 ).

i canali lenti del calcio, i quali fanno entrare il flusso di cationi Ca2+ _{dal tubulo trasverso}

per la maggior parte, e dal reticolo sarcoplasmatico in misura minore. Gli ioni Na+ _e

Ca2+ _{rendono possibile la depolarizzazione della membrana fino a che essa raggiunga il}

valore soglia di -40mV necessario per l'innesco del potenziale d'azione responsabile

della contrazione muscolare. Nel muscolo ventricolare il potenziale d'azione si mantiene per un tempo prolungato (detta “fase di plateau”) rispetto alla fibra del nodo SA: ciò è dovuto all'azione congiunta dei canali Ca2+ _{lenti, che mantengono alta, per più tempo, la}

concentrazione del Ca2+ _{all'interno del cardiomiocita, e alla ridotta permeabilità della}

membrana cellulare del cardiomicita allo ione K+ _{che ne limita l'estrusione favorendo il}

mantenimento della concentrazione del catione potassio all'interno della cellula e, così, contribuendo a mantenere il potenziale di membrana a valori più positivi.

Alla fine del plateau del potenziale d'azione cardiaco gli ioni Ca2+ _{sono pompati}

nuovamente in parte nel reticolo sarcoplasmatico (grazie a una pompa Ca2+_-ATPasica

denominata “SERCA2”) e in parte nel liquido extracellulare del tubulo trasverso mediante l'accoppiamento di uno scambiatore Ca2+_-Na+ _{(abbreviato con la sigla}

“NCX”394_{),che estrude il calcio e fa entrare il sodio, e una pompa Na}+_-K+ _(ATPasica)

che estrude il sodio e fa entrare il potassio. Il risultato prodotto è il rilasciamento delle fibre di actina da quelle di miosina e, dunque, la fine della contrazione muscolare. Il processo ricomincia nuovamente con l'arrivo di un nuovo potenziale d'azione.

Nel muscolo cardiaco il processo di contrazione e rilasciamento è regolato dal sistema nervoso ortosimpatico e da quello parasimpatico (costituito nell'area del pericardio dai nervi “vaghi”). Il primo innerva tutto il muscolo cardiaco, il secondo solo l'area del nodo seno atriale. La catena gangliare ortosimpatica e quella parasimpatica trasmettono segnali nervosi (potenziali d'azione) che si generano a livello ipotalamico e che,

passando attraverso il midollo spinale, il tronco encefalico e i gangli orto e parasimpatici, giungono ai diversi organi del corpo umano. Nel sistema cardiovascolare la catena gangliare ortosimpatica è responsabile di un'eccitazione della contrazione del muscolo cardiaco e della vasocostrizione dei vari vasi (arteriosi o venosi) della circolazione sistemica e polmonare; la catena gangliare parasimpatica produce, invece, effetti opposti nel senso di un rilasciamento del muscolo cardiaco e di una vasodilatazione delle arterie e delle vene. Gli effetti orto e parasimpatici sul sistema circolatorio verranno analizzati nel capitolo successivo a proposito dei mezzi di regolazione della pressione arteriosa. Adesso ci soffermiamo sul modo in cui essi regolano la contrazione e il rilasciamento del muscolo cardiaco.

Le terminazioni nervose postgangliari del sistema ortosimpatico rilasciano principalmente noradrenalina che va a legarsi soprattutto ai recettori adrenergici β1:

l'effetto prodotto sul cuore è un aumento della forza di contrazione e della frequenza cardiaca. Le terminazioni nervose postgangliari del sistema parasimpatico rilasciano

Figura 8: Innervazione ortosimpatica e parasimpatica del pericardio (fonte: Hall, J. E., Guyton e Hall, 2012).

acetilcolina che attiva i due recettori colinergici (muscarinico e nicotinico): il risultato

prodotto è quello di ridurre la frequenza cardiaca e ridurre la forza di contrazione del miocardio atriale395_.

I recettori sono legati a proteine integrali della membrana e, una volta legato il neurotrasmettitore, inducono delle modificazioni conformazionali della proteina che produce principalmente due variazioni: 1) alterazione nella permeabilità della membrana cellulare a determinati ioni; 2) attività di un enzima intercellulare collegato all'estremità opposta del recettore.

Il rilascio di noradrenalina aumenta la permeabilità delle membrane cellulari delle diverse zone del tessuto eccitatorio e

conduttivo agli ioni Na+ _{e agli ioni Ca}2+_{. Ciò}

consente una depolarizzazione del potenziale di membrana che può raggiungere più facilmente il “valore soglia” e, così, innescare il potenziale d'azione: ciò produce un aumento della forza di contrazione. Il rilascio di

acetilcolina, invece, aumenta la permeabilità delle fibre muscolari del tessuto eccitatorio e conduttivo agli ioni K+ _{determinando una velocità della sua estrusione. Ciò}

determina un aumento della negatività del potenziale di membrana (iperpolarizzazione) impedendo la genesi del potenziale d'azione e favorendo il rilascio delle fibre di actina da quelle di miosina.

Il legame tra 1) _{la struttura delle proteine che mediano i flussi ionici e il meccanismo di}

395 E' opportuno tener presente che gli effetti parasimpatici sono limitati all'area atriale, dal momento che le terminazioni postgangliari parasimpatiche sono localizzate quasi esclusivamente nell'area del nodo seno atriale.

Figura 9: Effetti della stimolazione ortosimpatica sulla curva della gittata cardiaca (fonte: Hall, J. E., Guyton e Hall, 2012).

trasporto che realizza, 2) _{il particolare funzionamento dei canali sodio e dei canali calcio}

nella fibra muscolare del nodo seno atriale e nella fibra muscolare ventricolare, infine 3)

le modificazioni conformazionali indotte dai recettori alle proteine a cui sono legati, sono tre esempi del modo in cui determinati meccanismi “locali” risultano

inscindibilmente legati alle strutture morfologiche in cui si realizzano, concorrendo a un

comportamento fisiologico più globale a livello della cellula muscolare cardiaca.

4.1.2 Struttura e fisiologia delle proteine contrattili nel tessuto