Guinguette Marais Poitevin

Sarcolemma
n. La membrana sottile, trasparente ed estensibile che copre ogni fibra muscolare striata
Fonte: modificato da Maria Victoria Gonzaga, BiologyOnline.com, dal lavoro di OpenStax, CC BY-SA 4.0..

Definizione di sarcolemma

Cos’è il sarcolemma? È la membrana plasmatica sottile, trasparente ed estensibile della cellula muscolare. È costituito da una membrana cellulare (membrana plasmatica) e da un rivestimento esterno costituito da un sottile strato di materiale polisaccaridico (glicocalice) con numerose sottili fibrille di collagene. Etimologicamente, cosa si intende per sarcolemma? ‘Sarco’ deriva dal greco (sarx) che significa “carne”, e ‘lemma’ deriva dal greco che significa “guaina”.

Caratteristiche del Sarcolemma

Il sarcolemma può essere definito come la membrana plasmatica di una cellula muscolare o la membrana plasmatica di una fibra muscolare. Le cellule muscolari sono anche conosciute come fibre muscolari a causa della loro forma lunga e cilindrica.

Il sarcolemma è coperto da un glicocalice. Come si definisce il glicocalice? Il glicocalice è un rivestimento che copre la membrana cellulare. È composto da glicosaminoglicani (GAG), proteoglicani e altre glicoproteine che consistono in oligosaccaridi acidi con acidi sialici in posizione terminale. Le proteine associate al glicocalice funzionano come proteine transmembrana che aiutano a collegare la membrana al citoscheletro della cellula. Questo mantiene la struttura della membrana sicura e permette la trasduzione del segnale tra i componenti intracellulari ed extracellulari.

Il sarcolemma può essere eccitato elettricamente portando all’attivazione delle fibre muscolari dai segnali dei nervi motori. Il sarcolemma contiene vie e canali a conduzione ionica attraverso i quali scorrono selettivamente e non selettivamente sodio, potassio, calcio e cloruro.

Queste vie di membrana possono aprirsi in risposta a molecole specifiche (ligandi), trasmettitori o quando si verificano cambiamenti di tensione. Il sarcolemma usa processi di regolazione naturali per chiudere queste vie.

Appena fuori dal sarcolemma, in contatto con il glicocalice, si trova la membrana basale. Questa serve a prevenire l’ulteriore diffusione degli elettroliti e a mantenere il supporto e la forma delle fibre muscolari.

Struttura del sarcolemma

Il sarcolemma è un tessuto connettivo? No, non è un tessuto connettivo. Il sarcolemma è la membrana plasmatica.

Il sarcolemma è descritto come avente due strati. Il primo è la membrana plasmatica, che è una struttura di composizione biochimica simile alla membrana plasmatica generale che si trova nelle cellule eucariotiche. Il secondo strato è il glicocalice, che è in contatto con la membrana basale. La membrana basale è ricca di fibrille di collagene e proteine che permettono alle fibre muscolari di aderirvi. Il citoscheletro della cellula muscolare, che consiste in una grande quantità della proteina actina, è collegato alla membrana basale attraverso proteine transmembrana nella membrana plasmatica. Le estremità delle fibre muscolari si fondono con le fibre tendinee, che a loro volta si raccolgono in fasci per formare i tendini muscolari. Questo attacca le fibre muscolari all’osso.

Ci sono 3 strati di tessuto connettivo nei muscoli. Questi sono l’epimisio, il perimisio e l’endomisio. Lo strato più esterno di tessuto connettivo che circonda un muscolo scheletrico è l’epimisio. Il perimisio avvolge fasci di fibre muscolari (fascicoli) e l’endomisio avvolge le singole fibre muscolari. Quindi, qual è la differenza tra il sarcolemma e l’endomisio? È importante non confondere questi termini. Il sarcolemma è la membrana cellulare della fibra muscolare, e l’endomisio è lo strato di tessuto connettivo sopra la fibra muscolare. La Figura 2 mostra le posizioni dei 3 strati di tessuto connettivo.

Per capire la struttura e la funzione del sarcolemma, dobbiamo prima capire la struttura del tessuto muscolare striato. All’interno delle fibre muscolari, le miofibrille si trovano per tutta la lunghezza della cellula. Le miofibrille possono essere descritte come unità di una cellula muscolare costituita da proteine organizzate che consistono in sarcomeri. In ogni fibra muscolare si possono trovare da centinaia a migliaia di miofibrille.

Ci sono 2 tipi di miofibrille che sono costituite da filamenti spessi o sottili. La proteina actina forma prevalentemente i filamenti sottili insieme alle proteine tropomiosina e troponina. La proteina miosina forma i filamenti spessi. Questi filamenti si sovrappongono per formare modelli che possono essere visti al microscopio (striature).

Actina e miosina sono le proteine coinvolte nella contrazione muscolare. Questi filamenti sottili e spessi si organizzano per formare bande conosciute come A-band e I-band. “A” sta per anisotropo (perché i filamenti sono più forti in una direzione che nell’altra) e “I” sta per isotropo (perché hanno le stesse proprietà fisiche in qualsiasi direzione). La banda A contiene una zona H dove non si verifica alcuna sovrapposizione tra i filamenti sottili e spessi. Consiste solo del filamento spesso e permette la contrazione muscolare diventando più corta.

Un sarcomero è un’unità strutturale del tessuto muscolare striato. I sarcomeri sono unità che si ripetono tra ogni linea Z (o disco Z). La linea Z è il confine tra ogni sarcomero. Il sarcomero è composto da miofibrille. La linea M si trova al centro del sarcomero ed è il sito di attacco dei filamenti spessi. La linea M è composta dalle proteine miomesina, titina, oscurina e obsl1. Le figure 3 e 4 mostrano la struttura di un sarcomero indicando i diversi filamenti e bande.

Ora abbiamo visto la struttura del tessuto muscolare. Possiamo capire meglio la membrana plasmatica delle cellule muscolari. Come detto prima, la membrana plasmatica di una fibra muscolare scheletrica è chiamata sarcolemma. Il sarcolemma si invagina nel citoplasma della cellula muscolare (sarcoplasma). Questo forma tubuli membranosi che attraversano le cellule muscolari. Questi sono chiamati tubuli trasversali (o “tubuli T”). I tubuli a T contengono il fluido extracellulare, che è ricco di ioni calcio e sodio.

All’interno delle fibre muscolari, i tubuli a T si trovano vicino a zone allargate del reticolo sarcoplasmatico note come cisterne terminali. Due cisterne terminali che si trovano su entrambi i lati di un tubulo T sono note come triade. Ci sono migliaia di triadi in ogni fibra muscolare. Il reticolo sarcoplasmatico si trova intorno alle miofibrille ed è composto da tubuli legati alla membrana. Il reticolo sarcoplasmatico funziona come un deposito di calcio. Ulteriori informazioni sulla funzione del sarcolemma sono descritte più in dettaglio qui di seguito. La figura 5 mostra la relazione anatomica dei tubuli T, delle cisterne terminali e del reticolo sarcoplasmatico, così come un’immagine microscopica di una triade.

La funzione del sarcolemma

Qual è la funzione del sarcolemma? Come membrana delle cellule muscolari, il sarcolemma funziona come una barriera tra la parte extracellulare e quella intercellulare delle cellule delle fibre muscolari. Può fare questo perché la membrana è di natura lipidica, quindi separa i fluidi degli spazi intracellulari ed extracellulari e lascia entrare l’acqua solo attraverso i canali dell’acquaporina. La membrana contiene pompe ioniche come in altre membrane cellulari del corpo, permettendo di creare gradienti ionici per consumare ATP.

La porzione di membrana dei tubuli T del sarcolemma è altamente plastica e quindi fornisce stabilità durante la contrazione muscolare. Gli studi hanno anche dimostrato che i tubuli T sono coinvolti nell’equilibrio idrico e nella regolazione del volume cellulare, nel recupero dalla fatica muscolare e nel trasporto di molecole. I tubuli T hanno anche un ruolo importante nella trasmissione dei potenziali d’azione, di cui si parlerà più avanti.

La struttura e il design del sarcolemma sono essenziali per ricevere e condurre gli stimoli. Durante lo stato di riposo, il sarcolemma mantiene l’interno della fibra muscolare ad un potenziale negativo rispetto al fluido extracellulare. Pompa più ioni di sodio di quanti ioni di potassio assuma. Pertanto, il sarcoplasma ha una concentrazione di potassio più alta ma una concentrazione di sodio più bassa rispetto allo spazio extracellulare. In termini di carica, questo significa che l’interno del sarcolemma ha una carica negativa e lo spazio extracellulare ha una carica positiva. Questi canali e pompe sono responsabili del mantenimento di un potenziale negativo. Il sarcolemma è anche semipermeabile e permette la diffusione degli ioni lungo i loro gradienti elettrochimici.

Cosa inizia un potenziale d’azione in una cellula muscolare?

Un potenziale d’azione può essere descritto come un cambiamento improvviso del potenziale a riposo della membrana. Il neurotrasmettitore acetilcolina (ACh) inizia una cascata di eventi quando viene rilasciato dalle giunzioni neuromuscolari ai terminali nervosi presinaptici. L’ACh si lega ai recettori sul sarcolemma conosciuti come recettori nicotinici dell’acetilcolina (nAChRs).

Questo legame permette il flusso di sodio lungo il suo gradiente di concentrazione creando un potenziale d’azione che porta alla depolarizzazione della fibra muscolare. In parole povere, la differenza di tensione si riduce tra l’interno del sarcolemma e l’esterno nella matrice extracellulare grazie agli ioni di sodio che entrano nel muscolo e agli ioni di potassio che escono.

La ripolarizzazione della membrana avviene quando la membrana ritorna al suo stato di riposo. A causa della carica positiva all’interno della membrana, i canali del sodio voltaggio-gati si chiudono e i canali del potassio voltaggio-gati si aprono, ma solo quando il sarcoplasma ha raggiunto la sua massima carica positiva. Gli ioni di potassio caricati positivamente possono quindi rifluire nello spazio extracellulare all’esterno della cellula muscolare, questo permette una diminuzione della carica positiva e il sarcolemma viene detto ripolarizzato. Durante la ripolarizzazione, e poco tempo dopo, i canali del sodio devono tornare al loro stato di riposo e la membrana non può essere ripolarizzata di nuovo. Questo è noto come periodo refrattario. La figura 6 mostra la cascata di eventi coinvolti nella depolarizzazione del sarcolemma.

Figura 6. Eventi di depolarizzazione nel sarcolemma. Credit: RPayne0216, Lecture Exam 3: steps in summary of events in generation and propagation of an action potential in a skeletal muscle fiber, from Quizlet.

L’importanza dei T-tubuli e delle Triadi

Il potenziale d’azione viaggia dal sarcolemma lungo un T-tubulo e nel reticolo sarcoplasmatico. Così facendo, viene stimolato il rilascio di ioni calcio dalle cisterne terminali del reticolo sarcoplasmatico. Gli ioni di calcio si legano poi con la troponina (un complesso proteico globulare che si trova nei filamenti sottili insieme all’actina e alla tropomiosina). I siti di actina sono quindi esposti e la contrazione muscolare può avvenire. Il potenziale d’azione può essere descritto come un’onda che scorre via dalla giunzione neuromuscolare lungo il sarcolemma.

La comunicazione del segnale dal sarcolemma alle proteine muscolari è aiutata dagli ioni calcio. Le fibre muscolari possono rilasciare e assorbire rapidamente gli ioni di calcio. Poiché le miofibrille possono essere lunghe millimetri o anche centimetri, la struttura delle triadi funziona per collegare il sarcolemma con i depositi di calcio. Questo aiuta a superare i limiti spaziali dell’uso del calcio come messaggero.

La comunicazione del segnale dal sarcolemma alle miofibrille per iniziare la contrazione muscolare è nota come accoppiamento eccitazione-contrazione (E-C). Questo termine è stato descritto per la prima volta da Alexander Sandow nel 1952. I tubuli T e il reticolo sarcoplasmatico sono vitali per l’accoppiamento E-C. I tubuli T trasportano il potenziale d’azione lungo la loro superficie causando la depolarizzazione dell’interno della cellula. Le cisterne terminali del reticolo sarcoplasmatico hanno al loro interno alte concentrazioni di ioni calcio.

Come i tubuli T conducono il potenziale d’azione, le cisterne terminali che sono vicine aprono canali di rilascio voltaggio-dipendenti. Questi eventi permettono la diffusione del calcio nel sarcoplasma. Questo aumenta la quantità di calcio che è disponibile per legarsi alla troponina, provocando il suo cambiamento conformazionale e la tropomiosina si muove sul filamento di actina. Questo rivela il sito di legame della miosina sulle molecole di actina.

Quando la concentrazione di calcio è esaurita, la contrazione muscolare si ferma. I livelli di calcio possono essere ripristinati al loro stato di riposo attraverso il trasporto attivo nel reticolo sarcoplasmatico. Lo stato di riposo impedisce la contrazione muscolare mantenendo gli ioni di calcio trattenuti nel reticolo sarcoplasmatico e lontano dal sarcoplasma. La figura 7 mostra questa sequenza di eventi.

Sarcolemma disfunzionale

Le malattie del muscolo scheletrico che portano a debolezza e degenerazione muscolare possono essere causate da malattie ereditarie di distrofia muscolare. Si tratta di disturbi progressivi in cui le fibre muscolari sane sono sostituite da grasso e fibrosi. L’insufficienza respiratoria può anche accadere se la malattia coinvolge i muscoli respiratori.

La distrofia muscolare di Duchenne (DMD) è uno di questi esempi e una delle forme più comuni di distrofia muscolare. Colpisce i maschi ed è causata da una mutazione sul gene della distrofina sul cromosoma X. Anche la distrofia muscolare Becker è causata da mutazioni sul gene che codifica la distrofina. Questa malattia ha un esordio più tardivo della DMD.

La distrofina è una proteina che si trova nel sarcolemma di fronte al sarcoplasma. Funziona come un integratore citoscheletrico che dà stabilità alla membrana. Protegge le cellule muscolari dai danni indotti dalla contrazione. Le mutazioni genetiche del complesso distrofina causano debolezza muscolare e distrofia muscolare.

La miastenia gravis è un’altra malattia che colpisce il sarcolemma. Si tratta di una malattia autoimmune in cui gli autoanticorpi sono diretti verso i nAChR sul sarcolemma. Questi anticorpi possono bloccare o distruggere questi recettori. Questo porta a debolezza muscolare, mancanza di respiro, problemi di vista, difficoltà di deglutizione e abbassamento delle palpebre.

Importanza biologica del sarcolemma

Biologicamente, il sarcolemma ha molte funzioni ed è più di una semplice membrana cellulare. Oltre a permettere l’endocitosi e l’esocitosi, il sarcolemma agisce come una barriera e un collegamento al citoscheletro della matrice extracellulare. È anche un isolante elettrico.

Come giunzione neuromuscolare, funziona per propagare i potenziali d’azione ed è coinvolto nell’accoppiamento eccitazione-contrazione. Inoltre, l’afflusso di calcio attraverso il sarcolemma gli permette di ripararsi e di continuare a mantenere una funzione di barriera. Se la membrana è danneggiata, entra il calcio che innesca l’esocitosi delle vescicole e la fusione delle vescicole che porta alla formazione di una patch nel sito della lesione (patch di membrana). La figura 8 mostra questo processo. Un flusso anormale di calcio può portare a problemi con la funzione delle fibre muscolari. Provoca cambiamenti nella regolazione degli ioni nelle proteine muscolari. Si pensa che il flusso errato di calcio possa essere coinvolto nella degradazione delle fibre muscolari nella distrofia muscolare.

L’importanza del sarcolemma come entità biologica è evidenziata dalle malattie che causano la sua disfunzione.

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