T-tubulo - T-tubule
| T-tubulo | |
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Fibra muscolare scheletrica , con tubulo a T etichettato ingrandita nell'immagine.
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 Struttura dei tubuli a T e relazione con il reticolo sarcoplasmatico nel muscolo scheletrico
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| Dettagli | |
| Parte di | Membrana cellulare delle cellule muscolari scheletriche e cardiache . |
| Identificatori | |
| latino | tubulo trasverso |
| TH | H2.00.05.2.01018, H2.00.05.2.02013 |
| Terminologia anatomica | |
I tubuli a T ( tubuli trasversali ) sono estensioni della membrana cellulare che penetrano al centro delle cellule del muscolo scheletrico e cardiaco . Con membrane che contengono grandi concentrazioni di canali ionici , trasportatori e pompe, i tubuli T consentono una rapida trasmissione del potenziale d'azione nella cellula e svolgono anche un ruolo importante nella regolazione della concentrazione di calcio cellulare.
Attraverso questi meccanismi, i tubuli a T consentono alle cellule del muscolo cardiaco di contrarsi con più forza sincronizzando il rilascio di calcio in tutta la cellula. La struttura e la funzione del T-tubulo sono influenzate battito per battito dalla contrazione dei cardiomiociti, nonché da malattie, che potenzialmente contribuiscono all'insufficienza cardiaca e alle aritmie . Sebbene queste strutture siano state viste per la prima volta nel 1897, la ricerca sulla biologia dei tubuli T è in corso.
Struttura
I tubuli a T sono tubuli formati dallo stesso doppio strato fosfolipidico della membrana superficiale o del sarcolemma delle cellule del muscolo scheletrico o cardiaco. Si collegano direttamente con il sarcolemma ad un'estremità prima di viaggiare in profondità all'interno della cellula, formando una rete di tubuli con sezioni che corrono sia perpendicolari (trasversali) che parallele (assiali) al sarcolemma. A causa di questo orientamento complesso, alcuni si riferiscono ai tubuli a T come al sistema tubolare assiale trasversale. L'interno o il lume del tubulo a T è aperto sulla superficie cellulare, il che significa che il tubulo a T è pieno di fluido contenente gli stessi costituenti della soluzione che circonda la cellula (il fluido extracellulare). Piuttosto che essere solo un tubo di collegamento passivo, la membrana che forma i tubuli T è altamente attiva, essendo costellata di proteine tra cui canali del calcio di tipo L , scambiatori sodio-calcio , ATPasi di calcio e beta adrenocettori .
I tubuli T si trovano nelle cellule muscolari cardiache sia atriali che ventricolari ( cardiomiociti ), in cui si sviluppano nelle prime settimane di vita. Si trovano nelle cellule muscolari ventricolari nella maggior parte delle specie e nelle cellule muscolari atriali dei grandi mammiferi. Nelle cellule del muscolo cardiaco, in diverse specie, i tubuli T hanno un diametro compreso tra 20 e 450 nanometri e di solito si trovano in regioni chiamate dischi Z dove i miofilamenti di actina si ancorano all'interno della cellula. I tubuli a T all'interno del cuore sono strettamente associati al deposito di calcio intracellulare noto come reticolo sarcoplasmatico in regioni specifiche denominate cisterne terminali. L'associazione del tubulo a T con una cisterna terminale è nota come diade .
Nelle cellule del muscolo scheletrico, i tubuli T sono da tre a quattro volte più stretti di quelli delle cellule del muscolo cardiaco e hanno un diametro compreso tra 20 e 40 nm. Si trovano tipicamente su entrambi i lati della striscia di miosina, alla giunzione di sovrapposizione (giunzione AI) tra le bande A e I. I tubuli a T nel muscolo scheletrico sono associati a due cisterne terminali, note come triade .
Regolatori
La forma del sistema dei tubuli a T è prodotta e mantenuta da una varietà di proteine. La proteina amphiphysin-2 è codificata dal gene BIN1 ed è responsabile della formazione della struttura del tubulo T e dell'assicurare che le proteine appropriate (in particolare i canali del calcio di tipo L) si trovino all'interno della membrana del tubulo T. Junctophilin-2 è codificata dal gene JPH2 e aiuta a formare una giunzione tra la membrana del tubulo T e il reticolo sarcoplasmatico, vitale per l'accoppiamento eccitazione-contrazione . La proteina capping titina nota come telethonin è codificata dal gene TCAP e aiuta con lo sviluppo dei tubuli T ed è potenzialmente responsabile del numero crescente di tubuli T visti mentre i muscoli crescono.
Funzione
Accoppiamento eccitazione-contrazione
I tubuli a T sono un anello importante nella catena dall'eccitazione elettrica di una cellula alla sua successiva contrazione (accoppiamento eccitazione-contrazione). Quando è necessaria la contrazione di un muscolo, la stimolazione da un nervo o da una cellula muscolare adiacente provoca un caratteristico flusso di particelle cariche attraverso la membrana cellulare noto come potenziale d'azione . A riposo, ci sono meno particelle cariche positivamente sul lato interno della membrana rispetto al lato esterno, e la membrana è descritta come polarizzata. Durante un potenziale d'azione, particelle cariche positivamente (prevalentemente ioni sodio e calcio) fluiscono attraverso la membrana dall'esterno verso l'interno. Questo inverte il normale squilibrio delle particelle cariche e viene chiamato depolarizzazione . Una regione della membrana depolarizza le regioni adiacenti e l'onda di depolarizzazione risultante si diffonde quindi lungo la membrana cellulare. La polarizzazione della membrana viene ripristinata quando gli ioni potassio rifluiscono attraverso la membrana dall'interno verso l'esterno della cellula.
Nelle cellule del muscolo cardiaco, quando il potenziale d'azione passa lungo i tubuli a T, attiva i canali del calcio di tipo L nella membrana del tubo a T. L'attivazione del canale del calcio di tipo L consente al calcio di passare nella cellula. I tubuli T contengono una maggiore concentrazione di canali del calcio di tipo L rispetto al resto del sarcolemma e quindi la maggior parte del calcio che entra nella cellula avviene attraverso i tubuli T. Questo calcio si lega e attiva un recettore, noto come recettore della rianodina , situato nel deposito di calcio interno della cellula, il reticolo sarcoplasmatico. L'attivazione del recettore della rianodina provoca il rilascio di calcio dal reticolo sarcoplasmatico, provocando la contrazione della cellula muscolare. Nelle cellule muscolari scheletriche , tuttavia, il canale del calcio di tipo L è direttamente attaccato al recettore della rianodina sul reticolo sarcoplasmatico consentendo l'attivazione del recettore della rianodina direttamente senza la necessità di un afflusso di calcio.
L'importanza dei tubuli T non è solo dovuta alla loro concentrazione di canali del calcio di tipo L, ma risiede anche nella loro capacità di sincronizzare il rilascio di calcio all'interno della cellula. La rapida diffusione del potenziale d'azione lungo la rete dei tubuli T attiva quasi simultaneamente tutti i canali del calcio di tipo L. Poiché i tubuli T portano il sarcolemma molto vicino al reticolo sarcoplasmatico in tutte le regioni della cellula, il calcio può essere rilasciato dal reticolo sarcoplasmatico attraverso l'intera cellula contemporaneamente. Questa sincronizzazione del rilascio di calcio consente alle cellule muscolari di contrarsi con più forza. Nelle cellule prive di tubuli T come le cellule muscolari lisce , i cardiomiociti malati o le cellule muscolari in cui i tubuli T sono stati rimossi artificialmente, il calcio che entra nel sarcolemma deve diffondersi gradualmente in tutta la cellula, attivando i recettori della rianodina molto più lentamente come un'ondata di calcio che porta a una contrazione meno forte.
Poiché i tubuli a T sono la sede principale per l'accoppiamento eccitazione-contrazione, i canali ionici e le proteine coinvolte in questo processo sono concentrati qui - ci sono 3 volte più canali del calcio di tipo L situati all'interno della membrana del tubulo T rispetto al resto del sarcolemma. Inoltre, i beta adrenorecettori sono anche altamente concentrati nella membrana del tubo T e la loro stimolazione aumenta il rilascio di calcio dal reticolo sarcoplasmatico.
Controllo del calcio
Poiché lo spazio all'interno del lume del tubulo T è continuo con lo spazio che circonda la cellula (lo spazio extracellulare), le concentrazioni di ioni tra i due sono molto simili. Tuttavia, a causa dell'importanza degli ioni all'interno dei tubuli T (in particolare il calcio nel muscolo cardiaco), è molto importante che queste concentrazioni rimangano relativamente costanti. Poiché i tubuli a T sono molto sottili, essenzialmente intrappolano gli ioni. Questo è importante poiché, indipendentemente dalle concentrazioni di ioni in altre parti della cellula, i tubuli T hanno ancora abbastanza ioni calcio per consentire la contrazione muscolare. Pertanto, anche se la concentrazione di calcio all'esterno della cellula diminuisce ( ipocalcemia ), la concentrazione di calcio all'interno del tubulo T rimane relativamente costante, consentendo il proseguimento della contrazione cardiaca.
Oltre a essere un sito per l'ingresso del calcio nella cellula, i tubuli T sono anche un sito per la rimozione del calcio. Questo è importante in quanto significa che i livelli di calcio all'interno della cellula possono essere strettamente controllati in una piccola area (cioè tra il tubulo T e il reticolo sarcoplasmatico, noto come controllo locale). Le proteine come lo scambiatore sodio-calcio e l'ATPasi sarcolemmale si trovano principalmente nella membrana del tubulo T. Lo scambiatore sodio-calcio rimuove passivamente uno ione calcio dalla cellula in cambio di tre ioni sodio. Come processo passivo può quindi consentire al calcio di fluire all'interno o all'esterno della cellula a seconda della combinazione delle concentrazioni relative di questi ioni e della tensione attraverso la membrana cellulare (il gradiente elettrochimico ). L'ATPasi del calcio rimuove attivamente il calcio dalla cellula, utilizzando l'energia derivata dall'adenosina trifosfato (ATP).
detubulazione
Per studiare la funzione dei tubuli T, i tubuli T possono essere disaccoppiati artificialmente dalla membrana superficiale utilizzando una tecnica nota come detubulazione . Sostanze chimiche come glicerolo o formammide (rispettivamente per il muscolo scheletrico e cardiaco) possono essere aggiunti alla soluzione extracellulare che circonda le cellule. Questi agenti aumentano l'osmolarità della soluzione extracellulare, provocando il restringimento delle cellule. Quando questi agenti vengono ritirati, le cellule si espandono rapidamente e tornano alle loro dimensioni normali. Questo restringimento e riespansione della cellula provoca il distacco dei tubuli a T dalla membrana superficiale. In alternativa, l'osmolarità della soluzione extracellulare può essere ridotta, utilizzando ad esempio soluzione salina ipotonica, provocando un transitorio rigonfiamento cellulare. Riportare la soluzione extracellulare a una normale osmolarità consente alle cellule di tornare alle dimensioni precedenti, portando nuovamente alla detubulazione.
Storia
L'idea di una struttura cellulare che in seguito divenne nota come tubulo a T fu proposta per la prima volta nel 1881. Il brevissimo intervallo di tempo tra la stimolazione di una cellula muscolare striata e la sua successiva contrazione era troppo breve per essere stato causato da una sostanza chimica di segnalazione che percorreva la distanza tra il sarcolemma e il reticolo sarcoplasmatico. È stato quindi suggerito che i sacchetti di membrana che raggiungono la cellula potrebbero spiegare l'inizio molto rapido della contrazione che era stato osservato. Ci volle fino al 1897 prima che fossero visti i primi tubuli a T, usando la microscopia ottica per studiare il muscolo cardiaco iniettato con inchiostro di china . La tecnologia di imaging è avanzata e con l'avvento della microscopia elettronica a trasmissione la struttura dei tubuli a T è diventata più evidente portando alla descrizione della componente longitudinale della rete dei tubuli a T nel 1971. Negli anni '90 e 2000 la microscopia confocale ha consentito la ricostruzione tridimensionale della rete dei tubuli T e della quantificazione delle dimensioni e della distribuzione dei tubuli T, e le importanti relazioni tra i tubuli T e il rilascio di calcio hanno iniziato a essere svelate con la scoperta delle scintille di calcio . Mentre i primi lavori si sono concentrati sul muscolo cardiaco ventricolare e sul muscolo scheletrico, nel 2009 è stata osservata un'ampia rete di tubuli T nelle cellule del muscolo cardiaco atriale. La ricerca in corso si concentra sulla regolazione della struttura dei tubuli T e sul modo in cui i tubuli T sono influenzati e contribuiscono alle malattie cardiovascolari.
Significato clinico
La struttura dei tubuli a T può essere alterata dalla malattia, che nel cuore può contribuire alla debolezza del muscolo cardiaco o a ritmi cardiaci anormali. Le alterazioni osservate nella malattia vanno da una completa perdita dei tubuli a T a cambiamenti più sottili nel loro orientamento o schemi di ramificazione. I tubuli a T possono essere persi o interrotti a seguito di un infarto miocardico e vengono anche interrotti nei ventricoli dei pazienti con insufficienza cardiaca , contribuendo alla riduzione della forza di contrazione e potenzialmente diminuendo le possibilità di recupero. L'insufficienza cardiaca può anche causare la perdita quasi completa dei tubuli T dai cardiomiociti atriali, riducendo la contrattilità atriale e potenzialmente contribuendo alla fibrillazione atriale .
I cambiamenti strutturali nei tubuli T possono portare i canali del calcio di tipo L ad allontanarsi dai recettori della rianodina. Ciò può aumentare il tempo necessario affinché i livelli di calcio all'interno della cellula aumentino portando a contrazioni e aritmie più deboli . Tuttavia, la struttura disordinata del tubulo T potrebbe non essere permanente, poiché alcuni suggeriscono che il rimodellamento del tubulo T potrebbe essere invertito attraverso l'uso dell'interval training .