Elettrofisiologia del cuore Meteor Cellule differenti: Potenziali d’azione differenti Quattro importanti caratteristiche elettriche dei potenziali d’azione cardiaci Depolarizzazione spontanea (potenz. pacemaker) Innervazione neuronale non richiesta Propagazione tra le cellule Sincizio elettricamente accoppiato Assicura un’attività ritmica continua Fase di plateau lunga nei miociti (~200ms) Assicura una forte contrazione Periodo di refrattarietà lungo nei miociti Previene la sommazione di scosse muscolari semplici Obiettivi comprendere: La specializzazione delle cellule cardiache Il flusso di informazione elettrica nel cuore Le basi ioniche del potenziale d’azione in queste cellule specializzate Organizzazione multi-cellulare = Giunzioni gap Flusso dell’attività elettrica cardiaca (potenziali d’azione) Nodo SA Andatura (stabilisce il ritmo cardiaco) Muscolo atriale Contrazione Nodo SA Nodo AV Nodo AV Ritardo Fascio AV Fibre del Purkinje Rapide, distribuite uniformemente Muscolo ventricol. Contrazione Fibre di Purkinje Potenziale d’azione del nodo SA È un potenziale d’azione al Ca2+!!!!! Potenziale di membr. del nodo SA (mV) Nodo SA Depolarizzazione lenta e Ca+2-dipendente 0 Ripolarizzazione K+-dipendente -50 200 msec Non c’è potenziale di riposo (prepotenziale) Potenziale d’azione del nodo AV È un potenziale d’azione al Ca2+!!!!! Nodo AV Potenziale di membr. del nodo AV (mV) 0 nodo SA -50 nodo AV 200 msec Simile al nodo SA Segnaritmo latente Depolarizzazione lenta, Ca+2-dipendente Conduzione lenta (ritardo) Ripolarizzazione K+dipendente Potenziale d’azione del muscolo atriale Potenziale di membr. del muscolo atriale (mV) Muscol. atriale 0 -50 200 msec Potenziale di riposo (-80 / -90 mV) Attivazione rapida, Na+-dipendente Spalla Ca2+-dipendente Ripolarizzazione K+-dipendente Contrazione e conduzione Potenziale di membr. delle fibre del Purkinje (mV) Potenziale d’azione delle fibre del Purkinje Fibre di Purkinje 0 -50 200 msec Un altro pacemaker latente Attivazione rapida, Na+-dipendente Plateau Ca2+-dipendente Ripolarizzazione K+-dipendente Conduzione rapida PdA del muscolo ventricolare Potenziale di membr. del muscolo ventricolare (mV) Muscolatura ventricloare 0 -50 200 msec Potenziale di riposo (-80 / -90 mV) Attivazione rapida, Na+-dipendente Plateau Ca2+-dipendente Ripolarizzazione K+-dipendente Contrazione Il lunghissimo “plateau” del pda dei miociti ventricolari è funzionalmente importante per due buone ragioni: a) il Ca2+ che entra attraverso i canali (L) della membrana plasmatica attiverà il “Caactivated Ca-release” del reticolo sarcoplasmatico, quindi la contrazione del cuore; b) mantenendo depolarizzata la membrana, la rende ineccitabile per tutta la sua durata (perché mantiene inattivati i canali del Na+). In altre parole: durante il plateau, il cuore si trova in uno stato di refrattarietà assoluta, quindi per tutta la durata della contrazione (della sistole) non può essere nuovamente eccitato. Abbiamo visto che la situazione è molto diversa da quella che si ha nel muscolo scheletrico, nel quale la refrattarietà assoluta termina ancor prima che inizi la contrazione. Potenziale di membrana del muscolo ventricolare (mV) Canali ionici nei muscoli ventricolare e atriale Canali del K (KA) Canali del K “anomalus rectifier” 0 Canali del Na voltaggio-dip. Canali del K “delayed rectifier” Canali del Ca voltaggio-dip. L-type -50 IK1 200 msec Nota: Nel muscolo atriale il plateau è meno pronunciato dovuto ad un diverso equilibrio tra I canali del Ca e del K voltaggio-dipendenti Canali del Na cardiaci Quasi identici ai canali del Na dei neuroni (strutturalmente e funzionalmente) Apertura molto rapida (come nei neuroni) Inattivano (come nei neuroni) NON sono sensibili alla Tetrodotoxin Espressi solo in tessuto non nodale Responsabili dell’innesco e della propagazione del potenziale d’azione in cellule non nodali Canali del Ca Cardiaci Cellule nodali (SA-AV): principalmente T-type – innesco e propagazione dei potenziali d’azione -LENTO Cellule non nodali: L-type – controllano la durata del potenziale d’azione – contrazione Canali pacemaker “f” Appartengono alla classe dei canali HCN: “canali cationici attivati dall’iperpolarizzazione”. I canali del Ca2+ delle cellule nodali sostengono il pda, ma per essere attivati necessitano di una depolarizzazione della membrana. Questa, nelle cellule autoritmiche, avviene “spontaneamente” e si chiama prepotenziale. Nel tessuto pacemaker, il prepotenziale (e con esso l’automatismo cardiaco) è generato dall’apertura dei canali-f . I canali “f” vengono attivati alla fine di ogni pda, quando la membrana si iperpolarizza. La loro apertura genera una corrente cationica entrante che, depolarizzando la membrana, produce il prepotenziale, e quindi innesca il pda successivo. Modulazione dei Canali “f” Di grande importanza è la “modulazione” (variazione della sensibilità al voltaggio) dei canali f operata dall’orto- e dal para-simpatico tramite i rispettivi neurotrasmettitori <noradrenalina(+adrenalina) ed acetilcolina>. Modulando i canali f, l’orto- ed il para-simpatico regolano la frequenza cardiaca (!!), come se fossero l’uno l’acceleratore e l’altro il freno di un’automobile. Questi neurotrasmettitori agiscono su recettori accoppiati a proteine-G e fanno rispettivamente aumentare e diminuire il livello intracellulatre di AMPc. L’elettrocardiogramma Jimmie Dimostrazione di Waller alla Royal Society 1909 L’Elettrocardiogramma (ECG) L’onda P è dovuta alla depolarizzazione del nodo SA. Il complesso QRS è dovuto alla depolarizzazione ventricolare. L’onda T corrisponde alla ripolarizzazione ventricolare. Relazione tra sequenza dei potenziali d’azione nel cuore ed elettrocardiogramma P ≡ depolarizzazione del nodo SA. approx. 0.44 s 0.12-0.2 s R ECG T P Q S QRS ≡ depolarizzazione ventricolare. T ≡ ripolarizzazione ventricolare. SA Atrii AV Nodo SA Nodo AV Purkinje Ventricoli Fascio AV Fibre di Purkinje Eccitamento cardiaco correlato all’elettrocardiogramma Il nodo SA genera un impulso: incomincia l’eccitamento atriale Nodo SA Impulso ritardato al nodo AV onda P finisce Nodo AV L’eccitamento ventricolare è completo complesso QRS L’impulso passa all’apice del cuore: incomincia l’eccitamento ventricolare Fibre del Purkinje Rami del fascio di His R P Q Q S L’onda T, che fa seguito all’onda S, corrisponde alla ripolarizzazione ventricolare Intervalli dell’ECG normale L’intervallo P-R è normalmente 0.12-0.20 sec, gran parte di questo tempo è il ritardo con cui l’eccitamento arriva al nodo AV. Il complesso QRS dura normalmente meno di 0.10 sec. Un aumento nella durata del complesso è una caratteristica di difetti a livello delle ramificazioni del fascio o delle fibre del Purkinje. L’intervallo Q-T varia in maniera inversamente proporzionale alla velocità cardiaca. Aritmie cardiache La sindrome denominata “Long QT” è una malattia definita da un prolungamento dell’intervallo QT dell’elettrocardiogramma. Elettrocardiogramma: l’intervallo QT approx. 0.44 s R T P ECG Q S Ventricoli intervallo QT L’intervallo QT inizia con il complesso QRS e termina alla fine dell’onda T. Rappresenta il periodo temporale tra la depolarizzazione (contrazione) ventricolare e la ripolarizzazione (rilassamento). Tutte le forme della sindrome del “long QT” coinvolgono una ripolarizzazione anormale del cuore. Caratteristiche generali (1)Malattia genetica, frequentemente autosomiale dominante. (2)Predisposizione ad aritmie pericolose per la vita. (3)Appare tra i 5 e i 15 anni di età. (4)Manifestazioni iniziali sono sincope (perdita temporanea di coscienza dovuta ad ischemia cerebrale), attacco apoplettico, arresto cardiaco o morte improvvisa. (5)Trattabile con antagonisti β-adrenergici, pacemaker cardiaci e denervazione delle terminazioni ortosimpatiche sinistre del cuore. Genetica della sindrome Long QT Mutazioni nei geni che codificano i canali al K+ cardiaci sono le più comuni cause della sindrome Long QT. Difetti nei canali al Na+ cardiaci possono pure essere causa di questa malattia. Denominazione gene Proteina codificata, funzione LQT1 KCNQ1 Canale del K+ (Ks - slow) LQT2 KCNH2 Canale del K+ (Kr - rapid) LQT3 SCNSA Canale del Na+ Volt. Dip. Biologia molecolare della sindrome Long QT Mutazioni nei canali del K+ sono state identificate un po’ in tutta la molecola. Tuttavia il numero più elevato di mutazioni è stato riscontrato nelle eliche S3 e S6 e nell’ansa S5/S6 che forma il poro. Qui sotto sono riportate le mutazioni più frequenti: gene proteina mutazione KCNQ KvLQT1 Gly168Arg Gly314Ser Ala341Glu Ala341Val S2 Poro S6 S6 KCNH HERG S6 S5 poro Ala561Thr Ala561Val Ala614Val Localizz. FINE Potenziale di membrana del muscolo ventricolare (mV) Canali ionici nel muscolo ventricolare Canali del K inattivanti (ITO) Canali del K “ultra-rapidi” (IKur) “Canali del K “rapidi” (IKr) 0 Canali del Na voltaggio-dip. Canali del K “lenti” (IKs) Canali del Ca voltaggio-dip. -50 IK1 200 msec Canali ionici nel muscolo ventricolare Corrente Geni Corrente di Na SCNA5 Corrente di Ca CACNL1A1 IK1 Kir2.1 (KCNJ2) ITO Kv4.3 (KCND3) IKur Kv1.5 (KCNA5) IKr HERG (KCNH2) + miRP1 (KCNE2) IKs KvLQT1 (KCNQ1) + minK (KCNE1) Canali del K inattivanti (ITO) Canali del K “ultra-rapidi” (IKur) Canali del K “rapidi” (IKr) Canali del K “lenti” (I Ks) Canali del K cardiaci voltaggiodipendenti Tutti strutturalmente simili ai canale del K dei neuroni ITO è un canale del K inattivante - rapida ripolarizzazione al plateau IKur funziona come il canale del K neuronale – compete con il Ca per mantenere il plateau IKr, IKs strutturalmente e funzionalmente complessi; IKr aumenta all’aumentare della concentrazione esterna di K Struttura dell’Inward Rectifier (IRK1) Nota: non ha un “sensore del voltaggio” Regione P Fluido extracellulare M1 M2 membrane Interno H2N HO2C Corrente Canali Inward Rectifier 0 -120 -100 -80 -60 -40 -20 Vm (mV) 0 20 40 60 Ruolo dell’Inward Rectifier Espresso primariamente nel tessuto non nodale Stabilisce il potenziale di riposo nei muscoli atriali e ventricolari Contribuisce all’ultima fase della ripolarizzatione del potenziale d’azione in cellule non nodali Canali ionici nelle cellule nodali Corrente Corrente di Ca Correnti di K If (corrente pacemaker) Gene CACNL1A1 Various HCN4 Canali del Ca della muscolatura cardiaca L-type (sensibili alle di-idropiridine) Strutturalmente abbastanza simili ai canali del Na Somiglianza funzionale con i canali del Na: la depolarizzazione apre i canali del Ca Differenze funzionali con i canali del Na: Apertura più lenta Inattivazione molto lenta e incompleta Generano un flusso di corrente molto minore Canali ionici nel cuore Ruolo fisiologico Obiettivi da comprendere Le più importanti proprietà dei canali ionici nelle diverse regioni del cuore Il ruolo di questi canali nel modellare la forma dei potenziali d’azione in regioni diverse del cuore Potenziale di membr. del nodo SA (mV) Canali ionici nelle cellule nodali Canali del Ca+2 volt.-dip. (T) Canali del K+ volt.dip. 0 -50 Canali If (pacemaker) 200 msec Canali ionici nelle fibre del Purkinje Gli stessi delle cellule ventricolari Più una quantità molto piccola di canali If (pacemaker) Farmaci antiarritmici Classe I: Azione di anestetici locali, riducendo la corrente di Na Classe III: prolungamento del potenziale d’azione – di solito inibendo canali del K cardiaci Quinidina Lidocaina Amiodarone Classe IV – Antagonisti del canale del Ca Verapamil Domande a cui occorre rispondere quando si analizza un ECG: Qual è la frequenza? È compresa nell’ambito normale di 60-10 battiti al minuto? Il ritmo è regolare? Tutte le normali onde dell’ECG sono chiaramente identificabili? C’è un complesso QRS per ogni onda P? in caso affermativo il segmednto PR è di lunghezza costante? Se non c’è un complesso QRS per ogni onda P, contate la frequenza cardiaca utilizzando le onde P, poi utilizzando le onde R. la frequenza è la stessa? Quale onda corrisponde alla pulsazione avvertita al polso?