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La legge di Frank Starling. “legge del cuore” Documenti originali e più recenti. L’esperimento di Frank. Grafico ricavato dall’esperimento di Frank. Lo stesso esperimento trasferito al cuore di mammifero: anello pressione/volume ai massimi isometrici. Il Professor E.H, Starling.
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La legge di Frank Starling “legge del cuore” Documenti originali e più recenti
Lo stesso esperimento trasferito al cuore di mammifero: anello pressione/volume ai massimi isometrici
Effetto dell’aumento di pressione sul flusso coronarico e quindi sulla contrattilità
Nel cuore, il rapporto tensione/lunghezza nella parte ascendente della curva è più ripido che nel muscolo scheletrico, perché anche la sensibilità al calcio della macchina contrattile aumenta con l’aumentare della lunghezza dei sarcomeri
Nel corso dell’attivazione, si modifica l’elastanza del cuore: È una palla molto elastica in diastole È una palla molto più rigida in sistole
La regolazione nervosa/umorale, l’insufficienza coronarica (ischemia), i farmaci cardiotropici modificano: la contrattilità miocardica (cambia la massima elastanza) Le modificazioni di contrattilità cambiano la Riserva funzionale del cuore
Il cuore di un atleta durante un lavoro sottomassimale non aumenta (o riduce) il volume telediastolico: a cosa serve la legge di Starling? • Il volume del cuore può variare entro limiti ristretti dalla presenza del pericardio: a cosa serve la legge di Starling? • Il ventricolo sinistro deve pompare in un minuto lo stesso volume del ventricolo destro • Il ventricolo destro deve pompare tutto il sangue che riceve • Il pericardio limita le dimensioni totali del cuore, non le dimensioni relative delle 4 camere • La legge di Starling mantiene la parità delle gettate destra e sinistra; il volume di ogni camera può cambiare più di quanto consentito dal pericardio a scapito del volume delle altre camere
Nel preparato cuore-polmoni col passare delle ore il cuore si stancava, ma manteneva invariata la gettata sistolica dilatandosi Il cuore in insufficienza compensata mantiene la gettata sistolica aumentando il volume telediastolico: La legge di Starling fa funzionare il cuore scompensato (insufficienza cardiaca compensata) Il pericardio non limita l’aumento del volume del cuore a lungo termine perché si adatta (plasticità strutturale)
THE REGULATION OF THE ENERGY OUTPUT OF THE HEART. BY E. H. STARLING AND M. B. VISSCHER. (From the Department of Physiology and Biochemistry, University College, London.) J Physiol January 12, 1927 62 (3) 243-261 Esperimenti condotti nel nostro laboratorio hanno dimostrato che in un cuore isolato, che batte ad un ritmo costante e ben rifornito di sangue, più grande è il volume diastolico (entro limiti), maggiore è l’energia della sua contrazione. È questa proprietà che spiega la meravigliosa adattabilità del cuore, completamente separato dal sistema nervoso centrale, all’aumentare del carico. Questo è così importante, che è stato definito da uno di noi “la legge del cuore”
Perché il cuore continui a funzionare, condizione necessaria è che il processo di ricupero ossidativo durante la diastole mantenga il passo con la degradazione anaerobica che ha luogo durante la sistole precedente. La misura del consumo d’ossigeno del cuore è quindi equivalente alla misura del calore totale prodotto durante la contrazione ed il rilasciamento. È facile mantenere costante il lavoro del cuore o cambiarlo entro ampi limiti, modificando il riempimento distolico o la resistenza arteriosa. Abbiamo messo a punto un metodo nuovo e semplice per studiare il consumo d’ossigeno del preparato cuore-polmoni. Consiste nel misurare la riduzione del volume di aria in un sistema chiuso che fa circolare l’aria dentro e fuori i polmoni, allontanando continuamente la CO2 e badando bene a mantenere costante il volume residuo polmonare dopo ogni espirazione.
L’idea generale di tutti i nostri esperimenti era di stabilire se ci fosse una relazione fra il consumo d’ossigeno del cuore e le condizioni meccaniche del suo battito. Questi esperimenti ci hanno permesso di concludere che l’adattamento del cuore all’aumento del carico, sia esso dovuto ad aumento della resistenza di uscita o della gittata, è basato sulla dilatazione del cuore. Questa dilatazione, con il conseguente aumento della lunghezza di ogni fibra, è responsabile di un aumento dell’energia totale liberata in ogni contrazione del muscolo cardiaco. Quindi, fra i diversi fattori meccanici del battito cardiaco che abbiamo studiato, il volume (tele)diastolico, cioè la lunghezza iniziale delle fibre muscolari cardiache, è il fattore determinante del consumo d’ossigeno, e cioè dell’energia liberata, in ogni contrazione.
L’INFLUENZA DELLA FREQUENZA CARDIACA Nello studio dell’influenza della frequenza cardiaca sul costo energetico dell’attività del cuore, si presentano due importanti quesiti. Primo: la liberazione d’energia per battito, a parità di volume telediastolico, è costante a qualunque frequenza? Secondo: l’efficienza meccanica del cuore cambia con la frequenza cardiaca? Siccome non riuscivamo a stimolare il vago nel preparato cuore polmoni per un periodo abbastanza lungo, abbiamo mantenuto in vita il cervello del cane perfondendolo con un secondo preparato cuore-polmoni. Riguardo al rendimento a diverse frequenza cardiache, abbiamo visto che il cuore usa una quantità minore di ossigeno al minuto per un dato carico di lavoro, quando la frequenza è bassa piuttosto che alta, mentre il consumo per battito è maggiore.
J Physiol 571.2 (2006) pp 253–273 TopicalReview Cardiac system bioenergetics: metabolicbasisof the Frank-Starlinglaw Valdur Saks1,2, Petras Dzeja3, Uwe Schlattner4, Marko Vendelin5, Andre Terzic3 and TheoWallimann4 L’evoluzione ha selezionato l’ATP, insieme ad ADP e Pi come il principale sistema di conversione energetica nelle cellule: un alto valore del rapporto [ATP]/[ADP]×[Pi] rende disponibile energia libera per il lavoro cellulare e per le reazioni anaboliche: il rapporto è mantenuto alto dalla fosforilazione ossidativa nei mitocondri e dalla glicolisi. Ne deriva un quesito fondamentale per l’energetica cellulare: com’è mantenuto l’equilibrio fra il rifornimento energetico e il fabbisogno e quali segnali e meccanismi assicurano l’accoppiamento preciso e puntuale fra i processi che consumano ATP e quelli che producono ATP? Una linea di ricerca in evoluzione riguarda l’integrazione di diverse unità energetiche nella cellula e la natura dei segnali che regolano la loro attività e assicurano il legame fra produzione e consumo di ATP. L’aumento lineare del VO2 con il lavoro avviene senza variazioni misurabili del contenuto di ATP e di fsfocreatina (PCr) nelle cellule.
La velocità del metabolismo (respirazione ) può cambiare di oltre un ordine di grandezza, cioè di 15-20 volte, da un consumo d’ossigeno basale di circa 8–12 μmol min−1 (g dry wt)−1 ad un massimodi170 μmol min−1 (g dry wt)−1. Il calcio liberato dai depositi locali dai meccanismi di rilascio indotti dal calcio (calcium-induced calcium release ) nell’accoppiamento eccitazione-contrazione attiva il ciclo della contrazione legandosi alla troponina C nel complesso troponina-tropomiosina dei filamenti sottili. Il ciclo del calcio mitocondriale consiste di un sistema di ingresso ed esportazione del calcio che: a) regola la concentrazione del calcio nella matrice mitocondriale, dove il calcio funge da attivatore delle deidrogenasi del ciclo di Krebbs, aumentando la capacità di fosforilazione ossidativa; b) regola la compartimentalizzazione delle fluttuazioni del calcio citoplasmatico e i relativi segnali; c) protegge i mitocondri dal sovraccarico di calcio.
A: gli effetti regolatori del calcio sulla respirazione mitocondriale su mitodcondri isolati in vitro (1) e quelli prodotti dal meccanismo di Frank-Starlingincuori di ratto isolati e perfusi (2). Il fattore di attivazione della respirazione è il rapporto fra il massimo e il valore basale, che è già al 60% di quello che si ottiene con concentrazioni Ca2+ > 600 nM. La differenza fra le due colonne è di un ordine di grandezza. B: simulazione dell’influenza del carico meccanico (come area dell’anello pressione-volume - PVA) sul consumo di ATP delle fibre miocardiche del ventricolo sinistro. La relazione lineare vale sia per contrazioni con eiezione (simboli pieni) sia per contrazioni isometriche (simboli vuoti)
I mitocondri non sono solo le principali fabbriche di ATP ma hanno anche un ruolo regolatore per l’apoptosi e la necrosi cellulare, determinando la vita e la morte delle cellule. Un aumento eccessivo del calcio mitocondriale al di sopra del livello ottimale è estremamente pericoloso per le cellule perché inibisce la sintesi di ATP e apre il poro di transizione della permeabilità del mitocondrio (PTP) che conduce alla morte. Questo effetto dannoso è amplificato dalla produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) nella catena respiratoria.
Il meccanismo di Frank-Starling non riguarda il ricircolo del calcio fra sarcoplasma e reticolo sarcoplasmatico: il numero di ponti laterali a forte energia generati dal legame del calcio dipende dalla lunghezza del sarcomero. Il meccanismo di questa attivazione dipendente dalla lunghezza è complesso e ancora attivamente studiato: vi partecipano variazioni delle spaziature nel lattice di miofilamenti, che forse coinvolgono la titina, che riducono la distanza fra filamenti di actina e miosina con aumento della probabilità di formazione dei ponti laterali; una cooperazione positiva per la formazione dei ponti: vi è un aumento dell’affinità del complesso delle troponine per il calcio, dovuto proprio alla formazione dei ponti. Per l’insieme di questi meccanismi, l’allungamento dei sarcomeri a concentrazioni citoplasmatiche di calcio submassimaliaumenta il numero dei ponti attivi e di conseguenza aumenta la liberazione dei prodotti dell’idrolisi dell’ATP: Pi e ADP. Il meccanismo descritto di attivazione della contrazione dipende dalla lunghezza; la velocità di consumo di ATP può aumentare di un ordine di grandezza senza alcuna variazione del ciclo del calcio.
La respirazione in vivo sembra sia controllata da processi e/o strutture che rispondono in maniera lineare alla liberazione di ADP e Pi nel ciclo di contrazione. Questo meccanismo di regolazione deve anche essere molto efficiente nel rimuovere l’ADP dal citosol: il MgADP, molto simile al MgATP, è un inibitore competitivo delle ATPasi: le pompe ioniche del reticolo sarcoplasmatico e del sarcolemma sono molto sensibili all’inibizione da parte del MgADP e quindi l’accumulo di questo complesso in prossimità delle ATPasi rallenta il ciclo di contrazione e compromette il meccanismo di Frank-Starling. In conclusione, la cellula deve essere protetta da un accumulo eccessivo di calcio libero nel citosol così come dall’ADP, che sono entrambi regolatori della respirazione mitocondriale. L’evidente affinità della fosforilazione ossidativa per l’ADP citoplasmatico può essere modificata anche regolando la permeabilità del canale anionico voltaggio-dipendene (VDAC) nella membrana mitocondriale esterna. In ogni caso, la disponibilità locale di ADP per l’ANT (adenin nucleotide traslocatore) può regolare la respirazione.
Gli isoenzimi della creatinchinasi (CK) costituiscono una rete di trasporto dell’energia locale e globale La principale rete di trasferimento dell’energia si basa sugli isoenzimi CK e la fosfocreatina (PCr), rapidamente diffusibile, come intermediario ad alta energia. Le CK catalizzano il trasferimento reversibile di gruppi fosfato ad alta energia da PCr ad ADP per formare ATP, oppure dall’ATP alla creatina per formare PCr. CK è molto sensibile all’ADP e lo rimuove in situ rifosforilandolo ad ATP, utilizzando l’abbondante riserva di PCr. Vi sono molteplici isoenzimi, con una forma citosolica ed una mitocondriale coespressa in svariati tessuti: nell’insieme, formano un intricato sistema di trasferimento dei fosfati, non solo per un tamponamento (buffering) temporale, ma anche per il trasporto di energia o tamponamento spaziale dell’energia, proprio a causa della loro localizzazione subcellulare in luoghi diversi e l’interazione con numerose proteine cellulari, enzimi, membrane biologiche e organelli.
Le CK mitocondriali (MtCK) sono ottameri presenti 1) fra la membrana esterna e quella interna dei mitocondri e 2) sulle creste mitocondriali. Le chinasi catalizzano la transfosforilazione diretta dell’ATP prodotto nei mitocondri verso la creatina e l’ADP citosolici. L’ADP entra nella matrice dove stimola la fosforilazione ossidativa, dando origine ad un ricircolo di una riserva specifica di ATP e ADP, mentre è la PCr il composto fosforilato ad alta energia che lascia il mitocondrio per trasferirsi nel citosol. La base molecolare di questo flusso metabolico direzionato è l’incanalamento attraverso il grande ottameroMtCK e due proteine di membrana, l’adenin nucleotide traslocatore (ANT) e il VDAC. Lo stretto accoppiamento funzionale fra CK e ATPasi, come l’actomiosina, e i canali ionici ha il vantaggio di: (1) evitare l’inibizione da parte di ADP e H+, perché entrambi sono substrati della reazione specifica (PCr2− +MgADP− +H+↔Cr+MgATP2−) e (2) l’elevata energia liberata dall’idrolisi dell’ATP è conservata in loco mantenendo alto il rapporto ATP/ADP ed evitando la dissipazione verso il citoplasma circostante.
Figura – Il sistema di trasferimento dell’energia creatichinasi-fosfocreatina e alcuni micordomini CK Schema (sopra): isoenzimi della CK si trovano in diversi compartimenti, come mitocondri (a) e citosol (b-d), in forma solubile (c) o in associazione con processi che producono (a e b) o consumano (d) ATP. La CK accumula una grossa riserva citosolica di PCr (fino a 30mM), utilizzando Cr e ATP prevalentemente dalla fosforilazione ossidativa o dalla glicolisi. La PCr è quindi usata per mantenere alto il rapporto ATP/ADP a livello globale (c) e locale (d). Nelle cellule polarizzate o che hanno un elevato consumo locale di ATP, questo sistema forma una navetta fra i processi di produzione e di consumo di ATP (a e d). L’incanalamento metabolico si verifica dove la CK si associa con processi che producono o trasportano ATP (trasportatori, pompe, enzimi). I flussi dei substrati e dei prodotti da MtCk e proteine associate sono rappresentati da frecce. Incanalamento dei metaboliti del MtCk: MtCk si trova in due posti: nello sazio intermembranoso mitocondriale (IMS), associato al traslocatore dell’adenin nucleotide (ANT) e al canale ionico voltaggio dipendente VDAC o porina) e sulle creste (solo ANT)
Nei siti di contatto, MtCK si lega ad entrambe le membrane, interna (IM) ed esterna (OM). Nell’IM, si lega con la cardiolipina, con 2 cariche negative, che stabilisce un contatto funzionale con ANT; nell’OM interagisce con altri fosfolipidi acidi e con VDAC, in maniera dipendente dal calcio. In questi siti di contatto il trasporto di metaboliti permette un rifornimento costante di substrati e rimozione di prodotti nei siti attivi di MtCK: impedendo la dissipazione di ATP di origine mitocondriale nel citosol, il contenuto di energia è trasferito direttamente alla Cr formando PCr, che è metabolicamente inerte. La PCr attraversa VDAC e si spande nel citosol, dove è disponibile in diversi posti all’azione della CK per la rigenerazione in situ di ATP. Contemporaneamente, la generazione mitocondriale di ADP stimola la fosforilazione ossidativa (OX).
Ulteriori e complementari reti di trasporto dei fosfati sono l’adenilciclasi e gli enzimi glicolitici e la proteinchinasi attivata dall’AMP (AMPK), che collaborano con le CK. Queste frazioni enzimatiche sono disposte all’interno della cellula in modo da aumentare l’efficienza termodinamica. Metabolicpacing; sincronizzazione dell’attività elettrica e meccanica con il rifornimento energetico. Fra l’altro, viene regolato il canale potassio sarcolemmale sensibile all’ATP (KATP), che aprendosi riduce la durata del potenziale d’azione e arresta l’ingresso di calcio nella cellula. Il meccanismo fisiologico della regolazione respiratoria descritto assicura un efficace controllo della conversione di energia libera per ogni tipo di carico di lavoro, senza richiedere un forte aumento del calcio citoplasmatico. Questo evita i pericoli derivanti da un sovraccarico di calcio nei mitocondri che aprirebbe i VDAC, uccidendo la cellula.
Figure 5. A paradigm of phosphotransfer mediated energetic signalling: coupling cellular metabolic and electrical activities Dynamic interaction between creatine kinase (CK), adenylate kinase (AK) and glycolytic (represented by pyruvate kinase, PK) phosphotransfer relays determines a prototypic metabolic sensor – KATP channel behaviour and subsequent cellular responses, such as excitability, hormone secretion, intracellular calcium homeostasis and vascular tone. The shadowed area represents a metabolic sensor ‘sensing zone’, where intimate local changes in nucleotide ratios are sensed and transduced into an appropriate cellular response. Phosphotransfer circuits connect the ‘sensing zone’ with cellular processes. Dashed lines indicate pathways signalling the high-energy state, while continuous lines represent low-energy state signal transmission. Kir6.2, potassium channel subunit; SUR, sulphonylurea receptor; GluK/Hex, glucokinase and hexokinase.
