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Prefazione degli Autori
È con grande piacere che presentiamo la 12a edizione del
Vander’s – Human Physiology. La copertina di questa edizione (N.d.T. qui si fa riferimento al volume americano)
riflette uno dei temi principali del volume: omeostasi, esercizio, fisiopatologia e meccanismi molecolari e cellulari
delle funzioni dell’organismo umano. La ricerca in queste
aree continua a un ritmo veloce, e noi abbiamo cercato,
nella revisione del testo, di riportare questa tendenza. A
questo scopo, abbiamo aggiunto nuovo materiale per la
comprensione e il trattamento di molte malattie, con particolare attenzione ai recenti sviluppi in campo molecolare
applicati alla fisiologia umana. Abbiamo altresì approfondito quegli aspetti pedagogici che già erano stati introdotti
nella precedente edizione, come le “Domande di fisiologia” e i casi clinici del Capitolo 19. Queste due caratteristiche del testo si sono dimostrate indubbiamente un ottimo ausilio all’apprendimento per gli studenti e il messaggio che ne è stato ricavato è che non potevamo che migliorarle. Abbiamo dunque arricchito il testo di nuove Domande di fisiologia pressoché raddoppiandone il numero,
non escludendo i capitoli introduttivi per consentire agli
studenti di valutare la loro comprensione dei principi chimici e biochimici introdotti agli inizi del testo.
I lettori di questo volume potranno anche beneficiare
di un’ampia sezione di esercizi di fisiologia, una risorsa
alquanto utile per tutti coloro che sono interessati ai risvolti clinici della fisiologia.
Il Capitolo 19, “Fisiologia medica: integrazione mediante casi clinici” è risultato di grande interesse sia per
i docenti sia per gli studenti. Abbiamo così deciso di aggiungere un ulteriore caso clinico a questo capitolo, che
tratta di uno studente di un college a cui viene diagnosticato un tumore al cervello. Il caso è di grande interesse
per i numerosi segni e sintomi neurologici considerati e
in quanto introduce dettagliatamente all’utilità della risonanza magnetica. In un altro caso del Capitolo 19, gli studenti sono chiamati a “Riflettere ed esaminare” il materiale per ogni singolo caso, così da fornire loro un sistema
“step-by-step” di apprendimento interattivo. Questo capitolo è stato apprezzato a tal punto che sono stati riorganizzati gli altri 18 in modo da includere, alla fine di
ognuno di questi, un breve caso clinico correlato agli argomenti trattati. Attraverso questo percorso gli studenti,
fin dal primo capitolo, imparano ad applicare le nozioni
apprese alla vita reale.
I casi trattati diventano progressivamente più complessi, di pari passo con il progredire delle conoscenze
dello studente che si impadronisce via via dei principi
della fisiologia.
Saremo molto lieti di ricevere indicazioni da parte sia
dei docenti sia degli studenti che useranno questo volume
in diversi Paesi, e siamo loro grati dei suggerimenti circa
i contenuti che vorranno darci. Siamo grati altresì agli autori delle precedenti edizioni, Arthur Vander, Dorothy Luciano, e James Sherman, nonché allo staff della McGrawHill Higher Education per il supporto e la professionalità.
Infine, nessun libro di testo come questo potrebbe essere
scritto senza tener conto della revisione critica di molti
colleghi, e siamo grati a costoro che hanno sacrificato tempo e impegni per leggere in tutto o in parte uno o più capitoli, fornendoci le loro intuizioni e proposte di miglioramento.
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Presentazione dell’edizione italiana
Per un trattato scientifico arrivare nella versione originale
anglosassone alla dodicesima edizione, come è il caso del
Vander’s – Human Physiology, è prova evidente di validità
scientifica ed efficacia didattica. Questo stesso fatto è anche
ragione valida per pensare, come ha fatto la Casa Editrice
Ambrosiana, di proporne ora l’edizione italiana pur in un
panorama editoriale ricco di testi di varia mole e di varia
impostazione didattica per lo studio della Fisiologia da parte degli studenti di discipline biomediche.
Quest’opera si distingue infatti per la felice coesistenza di due caratteristiche raramente presenti entrambe in
un unico trattato: la sintesi (sempre molto apprezzata dagli studenti) e la completezza (sempre irrinunciabile per
i docenti).
L’obiettivo del testo è ambizioso. Si vuole infatti che
lo studente raggiunga una comprensione integrata della
Fisiologia umana, fornendo anche cenni di fisiopatologia,
fondati su nozioni di base ben esplicate. L’approccio adottato è graduale, ma integrato. Nei primi tre capitoli, infatti, si presenta una panoramica esaustiva delle basi molecolari della funzionalità cellulare, già comunque coerente con la finalità del testo. Tutti gli argomenti trattati sono
inoltre estremamente aggiornati e vengono presentati allo
stato dell’arte delle attuali conoscenze della letteratura
scientifica.
Per facilitare la comprensione e poiché gli argomenti
trattati nei singoli capitoli sono molto ampi, ogni capitolo
viene suddiviso in sezioni che affrontano ciascuna un
aspetto dell’argomento generale. Al termine di ogni sezione è presente un riassunto dei concetti principali appena spiegati in modo che lo studente possa verificare la
propria preparazione passo passo.
Particolarmente ricco ed assolutamente aggiornato è
l’apparato iconografico che viene a facilitare notevolmente l’apprendimento di una materia certamente non intuitiva. Inoltre, sempre per assistere lo studente nel suo percorso e, soprattutto per far sì che, in maniera autonoma,
comprenda cosa ci si aspetti dalla sua preparazione, sono
state inserite varie tipologie di quesiti. Dopo ogni sezione
sono presenti le “Domande di ripasso e calcolo” sugli argomenti appena affrontati, mentre al termine di ogni capitolo si trovano i “Test di autovalutazione”, entrambi
supporti didattici che richiamano uno stile di apprendimento anglosassone sempre più in uso anche nelle nostre
università italiane. Infine, le “Domande di fisiologia”
pongono problemi più strutturati, dove la risposta non
sempre risulta immediata e viene richiesta comprensione
degli argomenti affrontati nel capitolo e una capacità di
integrazione degli stessi.
Al termine di ogni capitolo viene presentato un Caso
clinico che illustra chiaramente un preciso aspetto dell’argomento affrontato. I Casi clinici riportano di nuovo lo studente ad un approccio di stampo anglosassone, basato sulla comprensione del caso (problem-based learning), che, accanto al più tradizionale stile europeo, basato su un approccio più didattico, dovrebbe aiutarlo ad impostare una
conoscenza della Fisiologia applicata e della fisiopatologia.
La finalità di questo metodo è quella di enfatizzare l’importanza di una buona conoscenza dei meccanismi fisiologici di base per la comprensione di quelli fisiopatologici.
Infine, poiché molti studenti che utilizzeranno questo
testo potrebbero avere, a questo punto del loro percorso
didattico, poca familiarità con il linguaggio della fisiologia, a fine volume è stato inserito un Glossario che raccoglie i termini che vengono ritenuti importanti e dei quali
viene fornita una succinta definizione per permettere allo
studente di richiamarne subito il significato.
Certamente attraverso l’approccio adottato dal testo
ci si augura che lo studente sia stimolato a conoscere in
maniera più approfondita i sistemi e le patologie dell’organismo umano.
La traduzione italiana dei vari capitoli è stata effettuata da studiosi specialisti dello specifico settore e con
ampia esperienza didattica. Questo ha consentito di ottenere un testo assolutamente “fedele” all’originale americano (come è doveroso), ma con uno stile linguistico/espositivo in linea con i migliori standard della didattica universitaria nazionale (come è auspicabile).
Auguriamo pertanto a questa prima edizione italiana
del Vander, lo stesso successo di cui il volume meritatamente gode nei Paesi anglosassoni.
Luca Imeri
Vittorio Ricci
Ilaria Rivolta
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Tour guidato attraverso un capitolo
CAPITOLO
9
Muscolo
Ogni capitolo si apre con uno schema che offre
al lettore una visione panoramica di ciò che è contenuto
nel capitolo stesso.
Microfotografia colorata artificialmente al microscopio elettronico a scansione (SEM) di fibre muscolari sottoposte
a freeze-fracture.
SEZIONE A
SEZIONE B
Muscolo scheletrico
Muscolo liscio e cardiaco
9A.1 Struttura
9B.1 Struttura del muscolo liscio
9A.2 Meccanismi molecolari
della contrazione muscolare
scheletrica
Meccanismo di scorrimento
dei filamenti
Ruolo di troponina, tropomiosina
e Ca2+ nella contrazione
Accoppiamento eccitazionecontrazione
Eccitazione della membrana:
la giunzione neuromuscolare
9A.3 Meccanica della contrazione
di singole fibre
Contrazioni muscolari
Relazione carico-velocità
Relazione frequenza-tensione
Relazione lunghezza-tensione
9A.4 Metabolismo energetico
del muscolo scheletrico
Affaticamento muscolare
9B.2 La contrazione della muscolatura
liscia e il suo controllo
Attivazione dei ponti trasversi
Fonti di Ca2+ citosolico
Attivazione della membrana
Tipi di muscolo liscio
9B.3 Muscolo cardiaco
Struttura cellulare del muscolo
cardiaco
Accoppiamento eccitazionecontrazione nel muscolo cardiaco
Caso clinico
L
a capacità di utilizzare energia
chimica per produrre forza e
movimento è presente in
Tabelle di sintesi
misura limitata nella maggioranza
delle cellule, ma nelle cellule
muscolari è prevalente. I muscoli
generano la forza e i movimenti
necessari a regolare l’ambiente
interno e provocano anche movimenti
del corpo in relazione all’ambiente
esterno. Negli esseri umani, anche la
capacità di comunicare mediante il
linguaggio, la scrittura o l’espressione
artistica dipende da contrazioni
muscolari. In effetti, è solo grazie al
controllo dell’attività muscolare che la
mente umana si esprime.
È possibile identificare tre tipi di
9A.5 Tipi di fibre muscolari scheletriche
tessuto muscolare, sulla base della
9A.6 Contrazione muscolare
macroscopica
struttura, delle proprietà contrattili e
Controllo della tensione muscolare
Controllo della velocità
di accorciamento
Adattamento muscolare all’esercizio
Azione di leva di muscoli e ossa
9A.7 Patologie del muscolo scheletrico
Crampi muscolari
Tetania ipocalcemica
Distrofia muscolare
Miastenia gravis
Vengo usate tabelle riassuntive che riportano
una grande quantità di informazioni contenute nelle
diverse sezioni del testo o che ricapitolano più piccole
unità informative. Le tabelle integrano le figure
di accompagnamento per fornire un rapido mezzo
di revisione del materiale più importante contenuto
nel capitolo.
dei meccanismi di controllo: muscolo
scheletrico, liscio e cardiaco. La
a
Tabella 9-3
Caratteristiche dei tre tipi di fibre muscolari scheletriche
maggior parte dei muscoli scheletrici,
come indicato dal nome, è connessa
all’osso e la loro contrazione è
responsabile del sostegno e dei
movimenti dello scheletro. La
Fonte primaria di produzione di ATP
contrazione della muscolatura
Fibre ossidative lente (tipo I)
Fibre glicolitiche ossidative
rapide (tipo IIa)
Fibre glicolitiche rapide
(tipo IIb)*
Fosforilazione ossidativa
Fosforilazione ossidativa
Glicolisi
Molti
Molti
Pochi
scheletrica è avviata da impulsi
Mitocondri
neuronali ed è generalmente sotto
controllo volontario.
Capillari
Molti
Molti
Pochi
Alto (muscolo rosso)
Alto (muscolo rosso)
Basso (muscolo bianco)
Lamine di muscolatura liscia
Contenuto di mioglobina
circondano vari organi cavi e
Attività enzimatica glicolitica
Bassa
Intermedia
Alta
Contenuto di glicogeno
Basso
Intermedio
Alta
Velocità di affaticamento
Lenta
Intermedia
Rapida
Attività miosina-ATPasica
Bassa
Alta
Alta
Velocità di contrazione
Lenta
Rapida
Rapida
Diametro delle fibre
Piccolo
Intermedio
Grande
Dimensioni dell’unità motoria
Piccole
Dimensioni della fibra nervosa
proveniente dal motoneurone
Piccole
286
Capitolo 9
Intermedie
ISBN 978-8808-18510-5
Grandi
Intermedie
Grandi
CAPITOLO 9
Caso clinico
*Le fibre di tipo IIb sono talvolta definite di tipo IIx nella letteratura riguardante la fisiologia del muscolo umano.
“Dovrebbero essere inclusi ulteriori casi. L’approccio migliore potrebbe essere quello di inserire uno di questi casi
alla fine di ogni capitolo, correlato ai suoi contenuti.”
Jesus A. F. Tresguerres, Medical School, University Complutense, Madrid, Spagna
“Io faccio uso di numerosi casi clinici nei miei corsi di fisiologia. Agli studenti piace molto la possibilità di utilizzare le informazioni che essi hanno appreso per risolvere
problemi clinici.”
Ruth Clark, Washington University School of Medicine,
Program in Physical Therapy
“Io credo certamente che debbano essere aggiunti ulteriori casi clinici.”
Elizabeth S. Tomlin, University of North Carolina at Greensboro
Un ragazzo di 17 anni si trova sul tavolo operatorio in attesa
di essere sottoposto a un intervento per ridurre una frattura
mandibolare. Oltre a venirgli somministrata lidocaina, un
anestetico locale che blocca i canali per il Na+ voltaggio-dipendenti e quindi la propagazione del potenziale d’azione,
gli viene fatto respirare il sevofluorano, un anestetico generale inalatorio che induce incoscienza. Un’ora prima dell’inizio
dell’intervento, l’anestesista nota improvvisamente che il volto
del paziente è congestionato e che sulla fronte si stanno formando gocce di sudore. Al monitor la frequenza cardiaca risulta quasi raddoppiata rispetto a come era all’inizio della procedura e c’è un aumento significativo dei livelli di anidride
carbonica nell’aria espirata. Il chirurgo maxillo-facciale riferisce che i muscoli della mandibola si sono irrigiditi. Il paziente
mostra tutti i segni di una condizione rara ma mortale, chiamata ipertermia maligna, ed è necessario un rapido intervento
per salvargli la vita.
La maggior parte dei pazienti che soffrono di ipertermia
maligna eredita una mutazione autosomica dominante di un
gene posizionato sul cromosoma 19. Questo gene codifica
per i canali ionici implicati nel rilascio di ioni calcio dal reticolo
sarcoplasmatico nel muscolo scheletrico – i recettori della rianodina. Sebbene i canali funzionino normalmente nella maggior parte delle situazioni, la loro funzione è alterata quando
vengono esposti ad alcuni tipi di anestetici per via inalatoria
o a farmaci che depolarizzano e bloccano le giunzioni del muscolo scheletrico (come la succinilcolina). In alcuni casi, il malfunzionamento non avviene durante la prima esposizione agli
agenti stimolanti, ma solo alle volte successive.
Il meccanismo dell’ipertermia maligna comporta un’eccessiva apertura del canale recettore della rianodina, con massivo rilascio di Ca2+ dal reticolo sarcoplasmatico nel citoplasma
delle cellule muscolari scheletriche. L’entità del rilascio di Ca2+
è così grande che le pompe Ca2+ -ATPasi del reticolo sarcoplasmatico non sono in grado di lavorare in modo sufficientemente rapido per sequestrarlo nuovamente. Il Ca2+ in eccesso determina una costante attivazione di cicli nei ponti trasversi e della contrazione muscolare, inoltre stimola le proteasi
attivate dal Ca2+ che degradano le proteine muscolari. Il metabolismo dell’ATP all’interno delle cellule muscolari aumenta
enormemente durante un episodio, con molteplici conseguenze, alcune delle quali verranno descritte nel dettaglio nei
punti seguenti:
1.i livelli di ATP vengono depleti, di conseguenza i ponti trasversi entrano in uno stato di rigor a cui segue rigidità
muscolare;
2. le cellule muscolari devono ricorrere al metabolismo
anaerobico per produrre ATP poiché l’ossigeno non può
essere rilasciato ai muscoli in modo sufficientemente rapido per mantenere la produzione aerobica, quindi il paziente sviluppa acidosi lattica (sangue acidificato per l’accumulo di acido lattico);
3. la produzione di CO2 aumenta, generando acido carbonico che contribuisce all’acidosi (vedi Capitolo 13);
4.
5.
6.
i muscoli generano una tremenda quantità di calore come conseguenza della scissione e produzione di ATP, inducendo l’ipertermia caratteristica di questa situazione;
lo sforzo per mantenere l’omeostasi della temperatura
corporea, pH, livelli di ossigeno e ossido di carbonio induce un aumento della frequenza cardiaca per sostenere
l’aumento della velocità della circolazione sanguigna (vedi Capitolo 12);
l’arrossamento cutaneo e la sudorazione avvengono per
aiutare a dissipare il calore in eccesso (vedi Capitolo 16).
L’anestesista ferma immediatamente la procedura e sostituisce il sevofluorano con ossigeno al 100% nel tubo collegato
alle vie aeree del ragazzo. Fornire un’elevata concentrazione
di ossigeno inspiratorio aumenta l’ossigenazione ematica per
aiutare i muscoli a ripristinare la produzione di ATP per via
aerobica. Il paziente viene quindi iperventilato per favorire
l’eliminazione dall’organismo della CO2 in eccesso e gli vengono posizionate delle borse di ghiaccio sul corpo per impedire un ulteriore aumento della temperatura. Gli vengono
inoltre praticate diverse iniezioni di dandrolene, fino a quando
la sua condizione non inizia a migliorare. Il dandrolene, un
farmaco in origine sviluppato per essere un rilassante muscolare, blocca il flusso di Ca2+ attraverso il recettore della rianodina. Da quando è stato introdotto per il trattamento dell’ipertermia maligna, la mortalità si è ridotta da oltre il 70%
a circa il 5%.
Il ragazzo è stato trasferito nel reparto di terapia intensiva e i suoi parametri valutati attentamente. Gli esami di laboratorio hanno mostrato livelli ematici elevati di H+, K+,
Ca2+, creatina chinasi e mioglobina, tutti rilasciati nel corso
della rapida degradazione del tessuto muscolare (rabdomiolisi). Tra i pericoli cui vanno incontro questi pazienti ci sono
alterazioni delle cellule cardiache e di altre cellule eccitabili,
a causa dei valori anomali di pH e degli elettroliti, e insufficienza renale, causata da un eccessivo carico di prodotti di
scarto rilasciati dalle cellule muscolari danneggiate. Nei giorni
successivi, la condizione del ragazzo è migliorata e i valori
ematici sono tornati normali. Dal momento che il riconoscimento e i provvedimenti da parte dello staff medico sono
stati rapidi, il paziente ha sofferto solo di dolori muscolari
per poche settimane successive ma non ha subito danni permanenti agli organi vitali.
L’ipertermia maligna ha un’incidenza relativamente bassa, circa uno su 15 000 bambini e uno su 50 000 adulti. Tuttavia, a causa della sua natura potenzialmente letale, è diventata una pratica di routine valutare il possibile rischio del
paziente di sviluppare questa malattia. La diagnosi definitiva
di ipertermia maligna può essere posta solo facendo una
biopsia muscolare e determinando la risposta agli anestetici
ma, questo esame è invasivo e disponibile solo in pochi laboratori, quindi di solito non viene eseguito. Il rischio viene
più frequentemente dedotto attraverso un’anamnesi dettagliata che verifichi se il paziente o un suo parente abbiano
Casi clinici
Gli autori hanno tratto dal loro insegnamento
e dalle loro ricerche dei casi clinici, per ogni capitolo,
che permettono agli studenti di applicare alla vita reale
quanto appreso.
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“Le domande di fisiologia sono fantastiche.”
Jean-Pierre Dujardin, The Ohio State University
Domande di fisiologia
“Questa caratteristica è assai utile, in quanto lo studente
ha l’opportunità di testare la sua comprensione del materiale, applicandolo a un problema.”
Elizabeth S. Tomlin, University of North Carolina at Greensboro
Nel testo si può trovare un elevato numero di
“Domande di ragionamento e calcolo”, basate su
diverse figure tratte da ogni capitolo. Esse sono state
concepite per aiutare gli studenti nell’apprendimento
dei concetti o dei processi descritti. Queste domande
portano lo studente ad analizzare i contenuti di una
figura e, occasionalmente, a richiamare informazioni
dai capitoli precedenti. Molte delle domande
richiedono anche competenze quantitative.
“Certamente queste esperienze tratte dalla vita reale sono
eccellenti per gli studenti, che avranno a che fare con queste applicazioni di fisiologia.”
David S. Mallory, Marshall University
1
Il ponte trasverso
si lega all’actina
La [Ca2+] aumenta
Filamento sottile (actina, A)
Muscolo
a riposo
ADP
Pi
ADP
Pi
Ponte crociato
energizzato
Linea Z
[A M ADP Pi]
L’idrolisi
dell’ATP
energizza
il ponte trasverso
ADP + Pi
domanda di fisiologia
La risposta è in fondo al capitolo.
2
4
df
In determinate condizioni sperimentali, è
possibile estrarre la proteina troponina da
una fibra muscolare scheletrica. Come sarebbe il ciclo dei ponti trasversi in una fibra muscolare scheletrica in assenza di troponina?
Filamento spesso (miosina, M)
Linea M
[A + M ADP Pi]
Figura 9-8 Rappresentazione chimica
(tra parentesi) e meccanica delle quattro
fasi di un ciclo dei ponti trasversi. Questi
rimangono in stato di riposo (box rosa a
sinistra) quando il Ca2+ rimane basso. Nello stato di rigor mortis (box rosa a destra)
i ponti trasversi restano rigidamente legati, quando l’ATP è assente.
Il ponte trasverso
si muove
ATP
[A M]
[A + M ATP]
ATP
[A M]
3
L’ATP si lega alla miosina,
causando il distacco
del ponte trasverso
Reticolo sarcoplasmatico
Rigor mortis
Assenza di ATP
(dopo la morte)
Miofibrille
Citosol
Membrana
plasmatica
Tubuli
trasversi
Apertura
del tubulo
trasverso al liquido
extracellulare
Cisterne laterali
Mitocondrio
Figura 9-11 Tubuli trasversi e reticolo sarcoplasmatico in una singola fibra muscolare scheletrica.
Figure artistiche
descrittive
Prospettive realistiche
tridimensionali sono proprie
di molte figure ai fini
di una maggiore chiarezza
e comprensione dei concetti
presentati.
00Pr_Pag_Layout 1 10/06/11 14:09 Pagina XVIII
Tour guidato attraverso un capitolo
Muscolo liscio
Muscolo scheletrico
Ca2+ citosolico
Ca2+ citosolico
Diagrammi di flusso
Il Ca2+ si lega
alla calmodulina nel citosol
Un aspetto distintivo di questo libro è l’ampio utilizzo di diagrammi
di flusso, caratteristica mantenuta in questa edizione. Essi sono stati
aggiornati per aiutare nell’apprendimento.
Il Ca2+ si lega alla troponina
sui filamenti sottili
Il complesso
Ca2+-calmodulina si lega
alla chinasi della catena
leggera della miosina
Guida ai diagrammi di flusso
Il cambiamento
di conformazione
della troponina
sposta la tropomiosina
dalla posizione di blocco
La chinasi della catena
leggera della miosina usa
l’ATP per fosforilare i ponti
trasversi della miosina
•
•
•
I riquadri iniziali dei diagrammi di flusso sono colorati in verde.
Gli altri riquadri sono sempre codificati tramite specifici colori.
Le strutture sono sempre mostrate in un aspetto tridimensionale.
I ponti trasversi di miosina
si legano all’actina
I ponti trasversi fosforilati
si legano ai filamenti
di actina
(a)
Striature
Il ciclo dei ponti trasversi
produce tensione
e accorciamento
Il ciclo dei ponti trasversi
produce tensione
e accorciamento
Nucleo
Figura 9-35 Vie che portano dall’aumento della concentrazione
citosolica di Ca2+ all’avvio del ciclo dei ponti trasversi nelle fibre muscolari lische e scheletriche.
Dischi
intercalari
Prospettive multilivello
(b)
Le illustrazioni raffigurano strutture
complesse o combinano aspetti
micro– e macroscopici per aiutare
gli studenti a trovare le relazioni
tra i dettagli del disegno.
Dischi
intercalari
Mitocondrio
Nucleo
Cellula
muscolare
cardiaca
Gap
junction
Sarcolemma
1
Il potenziale d’azione muscolare
si propaga nei tubuli T
Desmosoma
Membrana plasmatica
muscolare
Tubulo trasverso
Recettore
DHP
+++
+++
Recettore
della
rianodina
Figura 9-39 Muscolo cardiaco. (a) Microfotografia ottica. (b) Cel-
Cisterna terminale
Ca2+
+++
+++
lule muscolari cardiache e dischi intercalari.
Reticolo
sarcoplasmatico
Ca2+
Ca2+
ATP
2
ADP
Ca2+ liberato
dalla cisterna terminale
Il legame del Ca2+
con la troponina annulla
l’azione bloccante
della tropomiosina
3
Filamento
sottile
5
Il Ca2+ viene captato
Ca2+
6
L’uso del colore
nelle illustrazioni
La rimozione del Ca2+ dalla troponina
ripristina l’azione bloccante
della tropomiosina
L’uso dei colori è studiato per facilitare
l’apprendimento. Per esempio, sono stati
usati colori specifici per il liquido
intracellulare ed extracellulare, le fibre
muscolari e le molecole di trasporto.
Troponina
Tropomiosina
4
I ponti crociati si legano
e generano forza
ATP
Filamento
spesso
Figura 9-12 Rilascio e ricaptazione di Ca2+ dal reticolo sarcoplasmatico durante la contrazione e il rilassamento di una fibra muscolare
scheletrica.
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276
Capitolo 9
ISBN 978-8808-18510-5
bre soggette a deformazione strutturale ripetuta durante
la contrazione sono suscettibili a rottura della membrana
e a morte cellulare. Pertanto, la malattia progredisce con
l’età e con l’uso dei muscoli. I sintomi di debolezza nei
muscoli del cingolo pelvico e del tronco diventano evidenti fra i 2 e i 6 anni d’età, e la maggior parte degli individui affetti non sopravvive oltre i 20 anni (Figura 931b). Si stanno facendo tentativi preliminari di trattamento della malattia inserendo il gene normale nelle cellule
muscolari distrofiche.
Fine di Sezione
Miastenia gravis
La miastenia gravis rappresenta un gruppo di patologie
neuromuscolari caratterizzate da affaticamento muscolare e debolezza che peggiora progressivamente con
l’uso del muscolo. Colpisce un americano su 7500, più
spesso di sesso femminile. La causa più comune è la distruzione delle proteine recettoriali nicotiniche per
l’ACh della placca motrice, mediata da anticorpi del proprio sistema immunitario (vedi Capitolo 18 per una descrizione delle malattie autoimmuni). Il rilascio di ACh
dalle terminazioni assonali è normale, ma l’entità del potenziale della placca motrice è marcatamente inferiore
per la ridotta disponibilità di recettori. Anche nel muscolo normale, la quantità di ACh liberata con ogni potenziale d’azione diminuisce con l’attività ripetitiva e,
quindi, cala l’ampiezza del potenziale di placca (EPP).
Nel muscolo normale, tuttavia, l’EPP rimane ben sopra
la soglia necessaria per avviare un potenziale d’azione
muscolare. Al contrario, in un paziente affetto da miastenia gravis, dopo alcuni impulsi nervosi motori l’ampiezza dell’EPP scende sotto la soglia.
Attualmente si stanno usando diversi approcci terapeutici. Uno di questi è la somministrazione di inibitori
dell’acetilcolinesterasi (per esempio, neostigmina), che
può compensare in parte la riduzione dei recettori disponibili per l’ACh prolungando il tempo di permanenza
dell’acetilcolina nella sinapsi. Altre terapie sono volte ad
attenuare la risposta immune. Il trattamento con glucocorticoidi è un metodo per sopprimere la funzione immunitaria (Capitolo 11). La rimozione del timo (timectomia) riduce la produzione di anticorpi e contrasta i sintomi nel 50% circa dei pazienti. La plasmaferesi è un trattamento che comporta la sostituzione della frazione ematica liquida (plasma) che contiene gli anticorpi nocivi. La
combinazione di queste terapie ha notevolmente ridotto
la mortalità dovuta a miastenia gravis.
Alla fine di ogni sezione del volume si trovano
il sommario e le domande di ripasso.
■ SEZIONE
A
SOMMARIO
I. Esistono tre tipi di muscolo: scheletrico, liscio e cardiaco. Il
muscolo scheletrico è connesso alle ossa e muove e sostiene
lo scheletro. La muscolatura liscia circonda organi cavi e
condotti. La muscolatura cardiaca costituisce il miocardio.
288
Capitolo 9
Struttura
ISBN 978-8808-18510-5
I. I muscoli scheletrici, composti da fibre (cellule) muscolari
cilindriche, sono collegati alle ossa da tendini situati a ciascuna estremità del muscolo.
II. Le fibre muscolari scheletriche presentano un pattern
striato ripetitivo di bande chiare e scure a causa della disposizione dei filamenti spessi e sottili all’interno delle
miofibrille.
III. I filamenti sottili contenenti actina sono ancorati alle linee
Z a ciascuna estremità di un sarcomero. Le loro estremità
Test di autovalutazione
b. L’ADP viene rapidamente riconvertito in ATP a opera
Risposte nell’Appendice A.
della creatina fosfato.
1. Quale delle seguenti affermazioni riguardo la struttura muc. Il glucosio viene metabolizzato nella glicolisi, produscolare scheletrica è falsa?
cendo grandi quantità di ATP.
a. Una miofibrilla è composta da fibre muscolari multiple.
d. I mitocondri iniziano immediatamente la fosforilazione
b. La maggior parte dei muscoli scheletrici si connette alle
ossidativa.
ossa grazie a tendini di tessuto connettivo.
e. Gli acidi grassi vengono rapidamente convertiti in ATP
c. Ogni porzione terminale di un filamento sottile è cirgrazie alla glicolisi ossidativa.
condata da sei filamenti sottili.
7. Quali delle seguenti affermazioni caratterizza correttamend. Un ponte trasverso è una porzione della molecola di
te un tipo di fibra muscolare scheletrica ossidativa rapida?
miosina.
a. Pochi mitocondri ed elevato contenuto di glicogeno.
e. I filamenti sottili contengono actina, tropomiosina e trob. Bassa velocità di reazione della miosina-ATPasi e pochi
ponina.
capillari circostanti.
2. Quale delle seguenti affermazioni riguardo un sarcomero
c. Bassa attività enzimatica glicolitica e velocità di contramuscolare scheletrico è corretta?
zione intermedia.
a. Le linee M si trovano al centro della banda I.
d. Elevato contenuto di mioglobina e attività enzimatica
b. La banda I è lo spazio tra una linea Z e la successiva.
glicolitica intermedia.
c. La zona H è la regione in cui i filamenti spessi e sottili
e. Piccolo diametro delle fibre e rapida insorgenza di afsi sovrappongono.
faticamento.
d. Le linee Z si trovano al centro della banda A.
8. Quale delle seguenti affermazioni riguardo la struttura del
e. L’ampiezza della banda A è uguale alla lunghezza di un
muscolo liscio è falsa?
filamento sottile.
a. Il filamento sottile non comprende la proteina regola3. Cosa accade quando una fibra muscolare scheletrica va intrice troponina.
contro a contrazione isotonica concentrica?
b. I filamenti spessi e sottili non sono organizzati in sara. Le linee M restano alla stessa distanza.
comeri.
b. Le linee Z si avvicinano alla fine delle bande A.
c. I filamenti sottili sono ancorati ai corpi densi al posto
c. La bande A si accorciano.
delle linee Z.
d. Le bande I si ampliano.
d. Le cellule hanno un singolo nucleo.
e. Le linee M si avvicinano alla fine delle bande A.
e. Le singole unità dei muscoli lisci hanno gap junctions
4. Cosa accade durante l’accoppiamento eccitazione-contrazione nelle fibre muscolari scheletriche?
ISBN 978-8808-18510-5 che connettono le singole cellule.
Muscolo 289
9. Qual è il ruolo della miosina chinasi delle catene leggere
a. La Ca2+ -ATPasi pompa il Ca2+ all’interno del tubulo T.
nel muscolo liscio?
b. I potenziali di azione si propagano lungo la membrana
a. Legare gli ioni calcio per dare inizio all’accoppiamento
del reticolo sarcoplasmatico.
eccitazione-contrazione.
c. Il Ca2+ affluisce nel citoplasma attraverso i recettori per
b. Fosforilare i ponti trasversi e indurli quindi a legarsi ai
la diidropiridina (DHP).
filamenti sottili.
d. I recettori DHP inducono l’apertura dei canali Ca2+ reDieci mesi dopo, il bicipite è in grado di generare l’80% delRisposte nell’Appendice A.
c. Scindere l’ATP per fornire energia per il power stroke del
cettori per la rianodina della cisterna laterale.
la sua forza originaria. Descrivi le variazioni avvenute nel
1. Quale delle seguenti ipotesi corrisponde allo stato della
ciclo dei ponti trasversi.
e. L’acetilcolina apre il canale recettore DHP.
muscolo danneggiato permettendone il recupero.
miosina (M) in condizione di riposo e in rigor mortis? (a)
d. Defosforilare le catene leggere della miosina dei ponti
5. Perché il periodo di latenza è più lungo durante una. con8. In laboratorio, se un muscolo scheletrico isolato viene poM ATP (b) M. ADP. Pi (c) A. M. ADP. Pi (d) A. M
trasversi, inducendo il rilassamento del muscolo.
trazione isotonica piuttosto che durante una contrazione
sto in una soluzione che non contiene ioni calcio, si con2. Se i tubuli trasversi del muscolo2+
scheletrico vengono scole. Pompare Ca dal citoplasma nuovamente all’interno
isometrica di una fibra muscolare scheletrica?
trarrà quando viene stimolato (a) direttamente depolarizlegati dalla membrana plasmatica, i potenziali d’azione
a. L’accoppiamento eccitazione-contrazione è più lento
del reticolo sarcoplasmatico.
zando la sua membrana, o (b) stimolandone il nervo? Cosa
saranno in grado di indurre una contrazione? Dai una
durante una contrazione isotonica.
10. Perché i muscoli lisci unitari differiscono da quelli multiuaccadrebbe se lo stesso esperimento fosse ripetuto su un
spiegazione.
b. I potenziali d’azione si propagano più lentamente quannitari?
muscolo liscio?
3. Quando un piccolo carico viene attaccato a un muscolo
do la fibra è accorciata, quindi è necessario più tempo
a. La velocità di contrazione dei muscoli unitari è lenta e
9. I seguenti esperimenti sono stati eseguiti su un muscolo lischeletrico successivamente stimolato in modo tetanico, il
per attivare l’intera fibra.
quella dei muscoli multiunitari è veloce.
scio unitario nel tratto gastrointestinale.
muscolo solleva il carico in una contrazione isotonica per
c. In aggiunta al tempo per l’accoppiamento eccitazioneb. I muscoli unitari hanno i tubuli T mentre i multiunitari
a. La stimolazione dei nervi parasimpatici del muscolo
una certa distanza, ma poi si ferma accorciandosi ed entra
contrazione, è necessario più tempo affinché un numeno.
produceva una contrazione.
in uno stato di contrazione isometrica. Con un carico più
ro sufficiente di ponti trasversi si attacchino in modo
c. I muscoli unitari non sono innervati da nervi autonob. L’applicazione di un farmaco che blocca i canali del Na+
pesante, la distanza percorsa prima di entrare in uno stato
che la tensione nella fibra muscolare sia maggiore rimici.
di contrazione isometrica è più breve. Spiega questi limiti
voltaggio-dipendenti nella maggior parte della memspetto al carico.
d. I muscoli unitari si contraggono quando vengono stiradi accorciamento in termini di relazione lunghezza-tensiobrana plasmatica portava all’incapacità di contrarsi dod. L’affaticamento insorge molto più rapidamente durante
ti, mentre i multiunitari no.
ne del muscolo.
po la stimolazione dei nervi parasimpatici.
le contrazioni isotoniche e, quando i muscoli sono affatie. I muscoli unitari non producono potenziali d’azione
4. Quali condizioni produrranno la tensione massima in una
c. L’applicazione di un farmaco che lega i recettori muscacati, i ponti trasversi si muovono molto più lentamente.
spontaneamente, mentre i multiunitari sì.
fibra muscolare scheletrica?
rinici (Capitolo 6), e quindi blocca l’azione dell’ACh in
e. Il periodo di latenza è più lungo perché le contrazioni
11. Quale delle seguenti affermazioni descrive una somiglian5. Un muscolo scheletrico può spesso mantenere un livello
questi recettori, non impediva al muscolo di contrarsi
isotoniche avvengono solo nelle fibre muscolari lente
za tra le cellule muscolari cardiache e lisce?
moderato di tensione attiva per lunghi periodi di tempo,
quando veniva stimolato il nervo parasimpatico.
(tipo I).
a. Un potenziale d’azione precede sempre la contrazione.
anche se molte delle sue fibre si affaticano. 2+
Spiega perché.
In base a queste osservazioni, cosa si potrebbe conclu6. Cosa previene un calo della concentrazione di ATP nelle
b. La maggioranza del Ca che attiva la contrazione de6. Se il flusso sanguigno a un muscolo scheletrico fosse marcadere riguardo il meccanismo con cui la stimolazione di
fibre muscolari durante i primi secondi di una contrazioriva dal liquido extracellulare.
tamente ridotto, quali tipi di unità motrici andrebbero più
un nervo parasimpatico induce una contrazione nel mune intensa?
c. I potenziali di azione sono generati da potenziali pacerapidamente incontro a una grave riduzione della loro capascolo liscio?
a. Poiché i ponti trasversi sono pre-energizzati, l’ATP non
maker.
cità di produrre ATP per la contrazione muscolare? Perché?
10. Alcuni tumori endocrini secernono un ormone che porta alè necessario finché diversi cicli di ponti trasversi non
d. È presente un ampio sistema di tubuli T.
7. In seguito a un incidente automobilistico,
il 50% delle fibre
l’aumento delle concentrazioni di Ca2+ nel liquido extracellusono stati completati.
e. Il rilascio di Ca2+ e la forza di contrazione sono graduali.
muscolari del bicipite di un paziente vengono distrutte.
lare. Questo come potrebbe influenzare il muscolo cardiaco?
Domande di ragionamento e calcolo
Capitolo 9 Risposte alle domande di fisiologia
Figura 9-4
1
Si osservano solo
i filamenti spessi
2
Si osservano solo
i filamenti sottili
3
Filamenti spessi connessi
tra loro da una rete proteica
4
Filamenti spessi connessi
tra loro da una rete proteica
Figura 9-5 La variazione nell’ampiezza delle bande I e della zona
H sarebbe la stessa, ma i sarcomeri non scorrerebbero verso
la linea Z fissata sul lato destro del diagramma. Si accorcerebbero uniformemente e tirerebbero entrambe le linee Z
esterne verso quella centrale.
Figura 9-8 Finché l’ATP è disponibile, i ponti trasversi continuerebbero il loro ciclo ininterrottamente indipendentemente
dalla presenza di Ca2+.
df
Figura 9-10 La tensione necessita di un tempo superiore per ritornare ai livelli basali perché tutti i ponti trasversi che
erano attaccati all’actina quando il Ca2+ era elevato richiedono tempo per completare il loro power stroke e staccarsi
dall’actina.
Figura 9-15 La corrente di Na+ predomina quando i canali ACh
si aprono poiché possiede sia un grande gradiente di diffusione verso l’interno che, al potenziale di membrana di
riposo della cellula muscolare, un grande gradiente elettrico verso l’interno. Sebbene il gradiente di diffusione per il
K+ verso l’esterno sia grande, il gradiente elettrico si oppone alla sua uscita dalla cellula. Vedi Figura 6-12.
Figura 9-16 Il peso nell’esperimento isotonico è approssimativamente 14 mg. Questo può essere stimato determinando il
tempo in cui il carico isotonico inizia a muoversi sul grafico
inferiore (circa 12 msec), quindi usando il grafico superiore
per determinare la quantità di tensione generata dalla fibra
in quell’istante.
Figura 9-18 La generazione di picchi di potenza da parte delle
fibre muscolari avviene per carichi intermedi, di solito circa
un terzo del loro carico di massima tensione isometrica.
Usando la scala arbitraria di 10 per la velocità massima e il
carico in questo grafico, rispetto al punto mostrato in figura
per il carico leggero sarebbe approssimativamente 0.5 x 0.75
= 3.75. Per il carico pesante sarebbe 1 x 7 = 7. Per il carico
intermedio, la potenza approssimativa sarebbe 3 x 3 = 9.
Figura 9-20 Le contrazioni tetaniche non fuse si avranno tra i 6.7
e i 28.6 stimoli al secondo. Affinché avvenga un tetano non
fuso, l’intervallo tra gli stimoli deve essere minore di 150
msec e maggiore di 35 msec. (se l’intervallo fosse maggiore
di 150 msec, le contrazioni non si sommerebbero, e se fosse
minore di 35 msec, si otterrebbe un tetano fuso). Per calcolare le frequenze corrispondenti:
1 stimolo/150 msec x 1000msec/sec = 6.7 stimoli/sec
1 stimolo/35 msec x 1000 msec/sec = 28.6 stimoli/sec
libere si sovrappongono parzialmente ai filamenti spessi,
contenenti miosina, nella banda A al centro del sarcomero.
Meccanismi molecolari della contrazione
muscolare scheletrica
I. Quando una fibra muscolare scheletrica si accorcia attivamente, i filamenti sottili sono spinti verso il centro del loro
sarcomero dai movimenti dei ponti trasversi miosinici che
si legano all’actina.
a. Le due teste globulari di ciascun ponte trasverso contengono un sito di legame per l’actina e un sito enzimatico che scinde l’ATP.
b. I quattro passaggi che si verificano durante ciascun ciclo
dei ponti trasversi sono riassunti nella Figura 9-8. Durante una contrazione i ponti trasversi vanno incontro
a cicli ripetuti, ciascuno dei quali produce solo un piccolo incremento del movimento.
c. Le tre funzioni dell’ATP nella contrazione muscolare sono riassunti nella Tabella 9-1.
II. In un muscolo a riposo, le molecole di tropomiosina che
sono a contatto con le subunità di actina dei filamenti sottili
bloccano la connessione dei ponti trasversi all’actina.
III. La contrazione inizia in seguito a un aumento della concentrazione citosolica di Ca2+. Gli ioni calcio si legano alla
troponina, provocando un cambiamento di forma che è trasmesso mediante la tropomiosina per scoprire i siti di legame sull’actina, permettendo ai ponti trasversi di legarsi
ai filamenti sottili.
a. L’aumento della concentrazione citosolica di Ca2+ è innescato da un potenziale d’azione della membrana plasmatica. Il potenziale d’azione è propagato all’interno
della fibra lungo i tubuli trasversi fino al reticolo sarcoplasmatico, dove i recettori della diidropiridina avvertono il cambiamento di voltaggio e aprono i recettori
della rianodina, rilasciando ioni calcio dal reticolo.
b. Il rilassamento di una fibra muscolare, dopo la contrazione, è il risultato del trasporto attivo di ioni calcio dal
citosol nuovamente nel reticolo sarcoplasmatico.
IV. I rami dell’assone di un motoneurone formano giunzioni
neuromuscolari con le fibre muscolari della sua unità motoria. Ciascuna fibra muscolare è innervata da un ramo proveniente da un solo motoneurone.
a. L’acetilcolina rilasciata da un potenziale d’azione in un
motoneurone si lega ai recettori presenti sulla placca
motrice della membrana muscolare, aprendo canali ionici che permettono il passaggio di ioni sodio e potassio,
che depolarizzano la membrana della placca.
b. Un singolo potenziale d’azione in un motoneurone è
sufficiente per produrre un potenziale d’azione in una
fibra muscolare scheletrica.
c. La Figura 9-15 riassume gli eventi a livello di giunzione
neuromuscolare.
V. La Tabella 9-2 riassume gli eventi che portano alla contrazione di una fibra muscolare scheletrica.
Meccanica della contrazione di singole fibre
I. Il termine contrazione si riferisce all’avvio del ciclo dei ponti trasversi. Il fatto che vi sia o no un cambiamento della
lunghezza del muscolo dipende dalle forze esterne che agiscono sul muscolo.
II. In seguito all’attivazione di una fibra muscolare possono verificarsi tre tipi di contrazione: (1) una contrazione isometrica
in cui il muscolo genera tensione ma non cambia lunghezza,
(2) una contrazione isotonica in cui il muscolo si accorcia (concentrica), spostando un carico, (3) una contrazione d’allungamento (eccentrica) in cui il carico esterno sul muscolo causa
un allungamento durante il periodo di attività contrattile.
III. L’aumento di frequenza dei potenziali d’azione in una fibra
muscolare incrementa la risposta meccanica (tensione o accorciamento) fino al livello di tensione tetanica massimale.
Fine di Capitolo
Alla fine di ogni capitolo si trovano
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Test di autovalutazione che sono
stati concepiti per verificare la comprensione degli studenti dei concetti
chiave.
Domande di ragionamento e calcolo
che vogliono portare lo studente ad
andare oltre la memorizzazione
degli elementi contenuti, per
risolvere problemi e incoraggiare il
pensiero sul significato più ampio
di ciò che è stato appena letto.
Risposte alle domande di fisiologia.
