Struttura e funzione
La contrazione e il rilassamento rapido e involontario del muscolo cardiaco sono vitali per pompare il sangue in tutto il sistema cardiovascolare. Per fare questo, la struttura del muscolo cardiaco ha caratteristiche distinte che gli permettono di contrarsi in modo coordinato e di resistere alla fatica.
La singola cellula del muscolo cardiaco (cardiomiocita) è una struttura tubolare composta da catene di miofibrille, che sono unità simili a barre all’interno della cellula. Le miofibrille consistono in sezioni ripetute di sarcomeri, che sono le unità contrattili fondamentali delle cellule muscolari. I sarcomeri sono composti da lunghe proteine che si organizzano in filamenti spessi e sottili, chiamati miofilamenti. I miofilamenti sottili contengono la proteina actina, e i miofilamenti spessi contengono la proteina miosina. I miofilamenti scorrono l’uno sull’altro quando il muscolo si contrae e si rilassa. Questo processo si attiva dal rilascio di calcio dal reticolo sarcoplasmatico (SR) quando si fornisce un potenziale d’azione al muscolo, in un processo chiamato accoppiamento eccitazione-contrazione. Lo scorrimento di actina e miosina l’una sull’altra produce la formazione di “ponti incrociati”, che provoca la contrazione del cuore e la generazione di forza.
I cardiomiociti sono cellule rettangolari e ramificate che contengono in genere un solo nucleo centrale. Questa disposizione contrasta con le cellule muscolari scheletriche, che spesso contengono molti nuclei. I cardiomiociti contengono molti mitocondri per produrre grandi quantità di adenosina trifosfato (ATP) e la mioglobina per immagazzinare ossigeno per soddisfare le esigenze della contrazione muscolare.
Come il muscolo scheletrico, l’organizzazione dei miofilamenti sottili e spessi sovrapposti all’interno del sarcomero della cellula produce un aspetto striato quando viene visto al microscopio. Questo aspetto caratteristico consiste in spesse bande A di colore scuro (principalmente composte da miosina) con una zona H relativamente luminosa al centro, e bande I di colore più chiaro (principalmente actina) con una linea Z centrale scura (nota anche come disco Z) che collega i filamenti di actina.
L’esterno del cardiomiocita è circondato da una membrana plasmatica chiamata sarcolemma che funge da barriera tra il contenuto extracellulare e intracellulare. Le invaginazioni del sarcolemma nel citoplasma del cardiomiocita sono chiamate tubuli T, e contengono numerose proteine come i canali del calcio di tipo L, scambiatori sodio-calcio, ATPasi del calcio e recettori beta-adrenergici che permettono lo scambio di ioni con il fluido extracellulare che circonda la cellula. Sulla linea Z del cardiomiocita, i tubuli T corrono adiacenti ad aree allargate del reticolo sarcoplasmatico note come cisterne terminali, e la combinazione di un singolo tubulo T con una cisterna terminale è detta diad. Questa configurazione contrasta con il muscolo scheletrico, che combina 2 cisterne terminali con 1 tubulo T per formare “triadi”, che appaiono alla giunzione A-I.
Cardiomiociti vicini sono uniti alle loro estremità da dischi intercalati per creare un sincizio di cellule cardiache. All’interno del disco intercalato, ci sono tre diversi tipi di giunzioni cellulari: fascia aderente, desmosomi e giunzioni gap. Il lato trasversale dei dischi intercalati corre perpendicolare alle fibre muscolari in corrispondenza delle linee Z e fornisce una componente strutturale attraverso le connessioni di fascia aderente e desmosoma. Il lato laterale dei dischi contiene giunzioni di fessura che permettono la comunicazione intercellulare permettendo agli ioni di un cardiomiocita di spostarsi verso una cellula vicina senza dover essere prima espulsi nello spazio extracellulare. La bassa resistenza delle gap junctions permette alla depolarizzazione di diffondersi rapidamente in tutto il sincizio, il che facilita la rapida trasmissione dei potenziali d’azione per produrre una contrazione sincronizzata dei cardiomiociti all’unisono.
Un’altra caratteristica distinta delle fibre muscolari cardiache è che hanno la loro auto ritmicità. A differenza dei muscoli lisci o scheletrici che richiedono un input neurale per la contrazione, le fibre cardiache hanno le proprie cellule pacemaker come il nodo senoatriale (SA) che si depolarizza spontaneamente. Queste depolarizzazioni si verificano ad un ritmo costante, ma le cellule pacemaker possono anche ricevere input dal sistema nervoso autonomo per diminuire o aumentare la frequenza cardiaca a seconda delle esigenze del corpo.
Il potenziale d’azione miocardico si verifica in cinque fasi, a partire da una rapida depolarizzazione durante la fase 0, seguita da una ripolarizzazione parziale iniziale durante la fase 1, un periodo di plateau della fase 2, poi una rapida ripolarizzazione durante la fase 3, che porta alla stabilizzazione al potenziale di riposo durante la fase 4. Il plateau della fase 2 è una caratteristica unica del potenziale d’azione miocardico che non è presente nel muscolo scheletrico. È causato dal bilanciamento degli effetti dell’efflusso di potassio dalla cellula con un afflusso di calcio attraverso i canali del calcio di tipo L (AKA recettore della diidropiridina) sulla superficie della cellula. Questo afflusso di calcio è relativamente piccolo e insufficiente a causare la contrazione da solo. Tuttavia, innesca il reticolo sarcoplasmatico a rilasciare le sue riserve di calcio nel mioplasma del miocita in un processo chiamato rilascio di calcio attivato dal calcio. Il calcio può quindi legarsi alla troponina sul filamento sottile e iniziare il processo di contrazione del miocita visto con ogni battito cardiaco.
La concentrazione di calcio nel miocita è il fattore critico che determina quanta forza viene generata con ogni contrazione. Le cellule muscolari cardiache possono aumentare la contrattilità attraverso i recettori beta-1 adrenergici sulla superficie con una proteina Gs G. Quando stimolati dal sistema nervoso simpatico o da farmaci agonisti beta-1, i Gs attivano l’enzima adenilciclasi, che converte l’ATP in cAMP. Il cAMP intracellulare aumenta l’attività della protein chinasi A (PKA), che poi fosforila i canali del calcio permettendo a più calcio di entrare nella cellula, portando a un aumento della contrazione.
Il muscolo cardiaco non si rilassa e si prepara per il prossimo battito cardiaco semplicemente cessando la contrazione; ciò avviene in un processo attivo chiamato Lusitropia. Durante la lusitropia, le pompe Sarco/endoplasmic reticulum Ca-ATPase (SERCA) sulla membrana del reticolo sarcoplasmatico usano l’idrolisi dell’ATP per trasferire il calcio nel reticolo sarcoplasmatico (SR) dal citosol.
La proteina regolatrice fosfolambano può controllare la velocità con cui il SERCA pompa il calcio nel SR. Il fosfolambano riduce il trasferimento di calcio da parte del SERCA (Ca2+ ATPasi del reticolo sarcoplasmatico) quando è legato. Così come può aumentare la contrattilità, il sistema nervoso simpatico può anche aumentare la lusitropia attraverso la stimolazione beta-1 adrenergica attraverso la fosforilazione del fosfolambano con la protein chinasi cAMP-dipendente (PKA). Quando fosforilato, il fosfolambano cessa l’inibizione del SERCA, permettendo di aumentare il tasso di assunzione di calcio e il rilassamento del muscolo cardiaco.