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 Review
Cardiac system bioenergetics: metabolic basis of the Frank-Starling law
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 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 troponinatropomiosina 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 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.
Figure 6. Cardiac excitation–contraction–energy coupling: synchronization electrical and
metabolic pacing
Electrical 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.
