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

Preparato cuore-polmoni

Il “cardiometro”

J Physiol October 23, 1914 48 (6) 465-513

Aumento del postcarico

Effetto dell’aumento di pressione sul flusso coronarico e quindi sulla contrattilità

Aumento del

precarico

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

Diagramma (anello) pressione/volume

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

Topical ReviewCardiac system bioenergetics: metabolic basis of the Frank-Starling lawValdur 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 massimo di 170 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-Starling in cuori 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 submassimali

aumenta 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 ottamero MtCK 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.

Metabolic pacing; 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 activitiesDynamic interaction between creatine kinase (CK), adenylate kinase (AK) and glycolytic (represented by pyruvate kinase, PK) phosphotransfer relays determinesa prototypic metabolic sensor – KATP channel behaviour and subsequent cellular responses, such as excitability, hormone secretion, intracellular calcium homeostasisand 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.

Figure 6. Cardiac excitation–contraction–energy coupling: synchronization electrical and metabolic pacingElectrical pacing induced action potential and membrane depolarization causes Ca2+ influx through L-type Ca2+ channels in sarcolemma and T-tubules triggering Ca2+ release from intracellular stores in sarcoplasmic reticulum (SR) through ryanodine receptor-channels (RyR) and cardiomyocyte contraction. Interplay between CK, AK and glycolytic phosphotransfer relays, energetic modules (mitochondria and ATPases), metabolic sensors (KATP channel) and Ca2+ transients, generate metabolic pacing signals in synchrony with the electrical and functional activity to ensure cellular energetic homeostasis. After contraction intracellular Ca2+ is sequestrated by SR Ca2+-ATPase (SERCA), by mitochondria, and removed from the cell by the Na+–Ca2+ exchanger and a Ca2+ pump in sarcolemma (see details in the text).

Importanza critica di due sistemi interagenti che regolano la respirazione

mitocondriale e i flussi di energia nella cellula: 1) i moduli enzimatici organizzati

strutturalmente e le reti dei sistemi CK-AK-glicolitico comunicano variazioni di flusso

in uno stato stazionario in disequilibrio e 2) il sistema secondario basato sui cicli del

calcio cellulare e mitocondriale, che regola la capacità di ossidazione dei substrati e di

trasferimento dell’energia per affrontare il fabbisogno energetico della cellula.

Inoltre, le reazioni accoppiate della creatin chinasi, dell’adenilato ciclasi e delle

reazioni glicolitiche, trasmettendo segnali al canale KATP, un sensore metabolico del

sarcolemma, assicurano una regolazione fine del processo di eccitazione-contrazione

e controllano il ciclo del calcio nella cellula.