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.