Franca Esposito » 33.Metabolismo del tessuto muscolare cardiaco

Tessuto muscolare cardiaco

Miociti

Dimensioni minori di quelli del tessuto scheletrico, un solo nucleo e numerosi mitocondri → dipendenza energetica dalla fosforilazione ossidativa.

Sarcolemma

Rivestito da glicocalice, struttura di polisaccaridi e glicoproteine con carica negativa favorevole a legare il Ca²⁺, sulla superficie esterna molecole di adesione, N-caderina, formano ponti con cellule confinanti.

Stria o disco intercalare: ispessimento del sarcolemma che mette in contatto tra loro le cellule cardiache, contiene nessi e desmosomi.

Nessi o Gap junction: regioni a bassa resistenza che favoriscono la propagazione dell’onda di depolarizzazione; connessoni: canali tra 2 cellule per passaggio ioni/piccole molecole, contengono proteine (connessine) che modulano l’apertura in funzione dello stato di fosforilazione e/o pH.

Desmosomi: aree specializzate con filamenti di actina che stabiliscono contatti con miociti adiacenti → sincronizzazione attività contrattile.

Grazie ai nessi e ai desmosomi il tessuto cardiaco è un sincizio ovvero un insieme di cellule che costituiscono una singola unità funzionale.

La lezione è della Prof. Raffaella Faraonio

Muscolo cardiaco

Differenze nella componente proteica dei muscoli.

Muscolo cardiaco (segue)

La contrazione nel muscolo cardiaco si svolge con meccanismo simile al muscolo scheletrico.

Le differenze riguardano l’ innesco della contrazione.

L’impulso è fornito da un segnale ritmico emesso da particolari miociti praticamente indifferenziati che posseggono la proprietà di generare e trasmettere l’onda di depolarizzazione della membrana: si tratta delle cellule nodali presenti nel nodo seno-atriale e atrio-ventricolare.

Il calcio per la contrazione del muscolo cardiaco è di origine extracellulare ed entra tramite i canali VOCC lenti.

VOCC miocardici sono sensibili a basse [Ca²⁺].

Diastole

Durante la fase diastolica il calcio viene rimosso dal citoplasma ad opera di:

• pompe Ca²⁺ del reticolo sarcoplasmatico (˜70%)
• scambiatore Na⁺/Ca²⁺ del sarcolemma (˜25%)
• Ca²⁺-ATPasi della membrana
• carrier mitocondriale del Ca²⁺

Il ripristino rapido della [Ca²⁺] assicura al muscolo cardiaco circa la contrazione ritmica.

Regolazione contrazione

Innervazione del miocardio:

1. sistema nervoso autonomo simpatico (terminazioni adrenergiche)
2. parasimpatico (terminazioni colinergiche)

1) Stimolazione dei recettori β1 adrenergici

Attivazione adenilato ciclasi con produzione di cAMP

↓

Attivazione proteina chinasi A

↓

Fosforilazione di proteine implicate nella contrazione del miocardio

Effetti finali: maggiore potenza della contrazione (inotropo positivo) e fase di rilassamento accellerata (lusitropo positivo).

Regolazione contrazione: recettori β1 adrenergici

Proteine fosforilate da proteina chinasi A

• Proteine contrattili: troponina Ie proteina C (effetto sconosciuto)
  • minore sensibilità del complesso troponinico al Ca²⁺
  • aumento della dissociazione del Ca²⁺ durante la diastole
• Proteine del reticolo sarcoplasmatico: fosfolambano
  • aumento dell’attività della pompa Ca²⁺-ATPasi
  • maggiore sensibilità al Ca²⁺ della pompa
  • incremento delle riserve di Ca²⁺ nel reticolo
• Proteine del sarcolemma:
• canali (lenti) del Ca²⁺ → aumento del flusso di Ca²⁺
• pompa Na⁺/K⁺ ATPasi → aumento dell’attività
• pompa Ca²⁺-ATPasi → aumento dell’efflusso di Ca2+

Regolazione contrazione: recettori α1 adrenergici

1) Stimolazione dei recettori α1 adrenergici

Attivazione fosfolipasi C con formazione di DAG e IP₃
↓

IP₃ induce ulteriore liberazione di Ca²⁺ dal reticolo sarcoplasmatico
↓

DAG attiva la proteina chinasi C che attraverso fosforilazione di scambiatore Na⁺/H⁺ del sarcolemma promuove l’espulsione di H⁺ dalla cellula
↓

Conseguente alcalinizzazione del citoplasma
↓

Aumenta l’affinità dei miofilamenti per il Ca²⁺ che rende più rapida la contrazione

Effetto finale: ionotropo positivo senza tachicardia.

Regolazione contrazione: recettori muscarinici

2) Stimolazione dei recettori muscarinici colinergici (acetilcolina)

Inibizione dell’adenilato ciclasi via proteine G con subunità α inibitorie

↓

Diminuzione della produzione di cAMP

Effetti finali: di tipo cronotropo negativo marcato (bradicardia) e ionotropo negativo modesto.

Omeostasi del calcio nella cellula miocardica

[Ca²⁺] citoplasmatica: fluttuazione tra 10^-7-10^-5 M, basata su azione coordinata di sistemi adibiti all’immissione/espulsione del calcio.

Immissione del calcio

1. Canali specifici

• Flusso Ca²⁺ unidirezionale: dall’esterno all’interno della cellula (canali del sarcolemma) e dal reticolo/mitocondri al citosol (canali del reticolo/mitocondri)
• trasporto ionico passivo: gli ioni Ca²⁺ attraversano i canali in favore di gradiente;
• trasporto selettivo: a favore del calcio (100 : 1)

2. Canali aspecifici (per varie specie ioniche)

• Canali intercellulari sempre aperti, di comunicazione, quando [Ca²⁺] si eleva si chiudono

Espulsione del calcio: Pompe

Pompe del Ca²⁺-ATPasi del sarcolemma, pompe del Ca²⁺-ATPasi del reticolo sarcoplasmatico, scambiatore Na⁺/Ca²⁺ del sarcolemma.

Espulsione del calcio: pompe

Pompe del Ca²⁺-ATPasi: funzionamento simile a quelle del muscolo scheletrico.

“Scambiatore” Na⁺/Ca²⁺ del sarcolemma:

• sistema elettrogenico di trasporto: 1 Ca²⁺ all’esterno (contro gradiente) e 3 Na⁺ nel sarcoplasma (in favore di gradiente)
• per ripristinare però il normale gradiente transmembrana dei Na⁺, questi vengono successivamente espulsi dalla cellula tramite la “pompa del sodio” a spese dell’idrolisi dell’ATP → scambio Na⁺/Ca²⁺ a spese dell’ATP
• tale scambiatore possiede scarsa affinità per il Ca²⁺ ma elevata capacità di pompaggio perché presente in elevato numero sulla membrana

Trasporto mitocondriale Calcio

Sistemi di trasporto del Ca²⁺ nei mitocondri

I mitocondri accumulano Ca²⁺ dall’esterno con un meccanismo di “uniporto”, trasporto unidirezionale attraverso la membrana interna. Tale movimento è mediato da un “carrier” specifico (mitochondrial Ca²⁺ uniporter, MCU) e non richiede ATP, infatti ioni Ca²⁺ sono attratti all’interno dal potenziale di membrana negativo generato dall’espulsione di protoni.

Il Ca²⁺ viene rilasciato dal mitocondrio per scambio elettroneutro con il Na⁺: per un Ca²⁺ esportato, entrano 2 Na⁺

(scambiatore Na⁺/Ca²⁺).

↓

Ioni Na⁺ accumulati all’interno vengono poi espulsi per scambio con gli H⁺ (scambiatore Na⁺/H⁺)

Energetica del miocardio

L’energia per l’attività contrattile del miocardio deriva dall’ATP:

ATP + H₂O → ADP + P_i

Contenuto di ATP nel miocardio esiguo (~ 5 micromoli/g di tessuto fresco)

Energetica del miocardio (segue)

L’ATP è rifornito attraverso:
1. Trasferimento del gruppo fosforico della fosfocreatina:

Fosfocreatina + ADP ↔ creatina + ATP

• livelli di fosfocreatina cardiaca elevati ~ 25 micromoli/g di tessuto fresco
• il miocardio (come il muscolo scheletrico) non è in grado di sintetizzare creatina, la assume dal sangue dove viene riversata dal fegato e dal rene

2. Fosforilazione ossidativa

3. Fosforilazione a livello del substrato

Trasporto gruppo fosforico

Coppia creatina-fosfocreatina del miocardio:

Sistema di deposito, ma anche di trasporto di ATP tra sede di produzione (mitocondrio) e sede di utilizzo (miosina).

2 isoenzimi della creatina chinasi (CK):

• mitocondriale (CK_m), topograficamente e funzionalmente connesso con l’ “adenilato traslocasi“, carrier che scambia ATP intramitocondriale con ADP extramitocondriale
• sarcoplasmatico (CK_f), associato con ATPasi delle miofibrille miosiniche

Energetica tessuto cardiaco

Come nel muscolo scheletrico, sono molto attive:

1) la reazione di emergenza catalizzata dalla adenilato chinasi

2 ADP ↔ ATP + AMP

AMP stimola allostericamente la fosfofruttochinasi e la glicogeno fosforilasi

2) la reazione della adenosina deamminasi

AMP + H₂O → IMP + NH₃

produzione di NH₃ diventa vantaggiosa in assenza di O₂ in cui si produce lattato, alcalinizzazione previene la caduta di pH → funzione contrattile non compromessa.

3) la reazione della 5′-nucleotidasi → vasodilatazione

Substrati tessuto cardiaco

Acido lattico

Il miocardio preferisce il lattato al glucosio

Se il lattato aumenta nel sangue (10-15 nanomoli/litro), es. esercizio intenso, l’utilizzo di glucosio del miocardio diminuisce: azione di risparmio di glucosio.

Complementarietà tra muscolo scheletrico e cardiaco: muscolo scheletrico produce acido lattico

↓

muscolo cardiaco lo consuma

Reazione lattico deidrogenasi (LDH):

Lattato + NAD⁺ ↔ Piruvato + NADH

Lattico deidrogenasi

Enzima tetramerico formato da 2 tipi di subunità: M= muscolo, H= cuore.

5 forme isoenzimatiche

1. M₄= muscolo scheletrico
2. M₃H
3. M₂H₂
4. MH₃
5. H₄= muscolo cardiaco

Isoenzima M₄ non inibito da eccesso di piruvato.
Isoenzima H₄ inibito da eccesso di piruvato, ma piruvato e NADH vengono prontamente sottratti per l’attività della piruvato deidrogenasi.
H₄ Indicatore tardivo di infarto del miocardio.

Anossia/Ischemia

Ipossia o Anossia: Diminuzione pressione parziale dell’ossigeno con flusso ematico normale.

Ischemia: Diminuzione del flusso ematico (conseguenze più gravi)

L’ossigenazione inadeguata in entrambi i casi comporta:

• inibizione fosforilazione ossidativa
• rallentamento ciclo di Krebs
• inibizione decarbossilazione ossidativa del piruvato → diminuzione del pH (aumento lattato)
• inibizione β-ossidazione degli acidi grassi → aumento di acil-CoA

Anossia/Ischemia (segue)

Conseguenze dell’aumento di acil-CoA:

1. inibizione l’attività adenilato traslocasi con sequestro di ATP nei mitocondri
2. induzione efflusso di ioni Ca²⁺ dal reticolo/mitocondri. L’elevata [Ca²⁺] citosolica compromette processi Ca²⁺-dipendenti e stimola enzimi che idrolizzano fosfolipidi/proteine → conseguenti alterazioni necrotiche

Ipossia: il flusso ematico regolare rimuove i metaboliti nocivi tra cui il lattato.

Ischemia: accumulo di metaboliti nocivi con conseguenze deleterie (pH 6,8).