Segnalazione nel Sistema Cardiaco

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1 Segnalazione nel Sistema Cardiaco

2 Richiami al Corso di Fisiologia Generale (I) Cellule autoritmiche e contrattili I potenziali d azione che portano all eccitazione dei miociti cardiaci ed alla loro contrazione sono innescati da potenziali d azione delle cellule autoritmiche (o pacemaker). Le cellule del muscolo cardiaco sono accoppiate elettricamente con le cellule autoritmiche e tra di loro attraverso giunzioni serrate (gap junctions): ciò consente alle depolarizzazioni che innescano la contrazione di diffondersi velocemente da miocita a miocita, determinando un onda di contrazione.

3 Richiami al Corso di Fisiologia Generale (II) Potenziale d azione delle cellule muscolari cardiache

4 Richiami al Corso di Fisiologia Generale (III) Eventi biochimici e meccanici della contrazione cardiaca RyR LTCC Nel cuore, l accoppiamento eccitazione-contrazione comporta la depolarizzazione della membrana plasmatica e dei tubuli trasversi (Tubuli-T), che porta all attivazione di canali del Ca2+ voltaggio dipendenti di tipo L (LTCC). Il moderato influsso di Ca2+ attraverso i LTCC induce il rilascio di Ca2+ su larga scala dal reticolo sarcoplasmatico (SR), mediante i recettori della rianodina (RyR), che innesca la contrazione muscolare. In fase di rilasciamento, il Ca2+ citosolico è di nuovo pompato nel SR mediante una Ca2+-ATPasi (SERCA), o estruso dalle cellule attraverso lo scambiatore Na+/Ca2+ (NCX) e una Ca2+-ATPasi (non mostrata in figura) presenti sulla membrana plasmatica.

5 Avvio del ciclo dei ponti trasversali

6 Il Sistema nervoso simpatico regola positivamente la contrattilità cardiaca attraverso la produzione di camp Troponin I La stimolazone dei recettori b1-adrenergici induce l attivazione della adenilato ciclasi, la produzione di camp e la conseguente attivazione della protein chinasi A (PKA). La PKA media la fosforilazione di vari substrati convolti nel potenziamento della contrattilità cardiaca: - L-type calcium channels (LTCC) - Ryanodin receptors (RyR) - Phospholambans (PLB) - Cardiac troponin I (ctni)

7 Il Sistema nervoso parasimpatico regola negativamente la contrattilità cardiaca Nelle cellule cardiache sono presenti recettori muscarinici (M 2 R) attivati dall acetilcolina rilasciata dai neuroni del sistema autonomo parasimpatico. L attivazione di questi recettori tende a diminuire la contrattilità del cuore attraverso due meccamismi: a) rilascio di subunità a i che inibiscono l attività adenilato ciclasica b) attivazione di canali del K + tramite interazione con il dimero bg, che tende ad iperpolarizzare la membrana plasmatica dei cardiomiociti

8 Segnalazione caveolare dei recettori β-adrenergici nella membrana plasmatica Nel cuore, le caveolae sono abbondantemente presenti nelle cellule ventricolari ed atriali, nonché in quelle autorimiche (nodali). Principalmente espressa è la Cav-3. I recettori β-adrenergici (βar) sono associati alla Cav-3 in complessi di segnalazione in cui viene stimolata la produzione di camp che regola i canali del Ca2+ LTCC (L-type calcium channel). ATTENZIONE! In figura, l elemento in blu indicato come Ca v 1.2 non si riferisce ad alcuna caveolina, ma a canali del Ca2+ (LTCC).

9 Segnalazione dei recettori β-adrenergici nella diade Tubulo T ER Anche nei tubuli T, che costituiscono parte delle diadi, i recettori βars sono associati a alla CAV-3. Tuttavia, le strutture non sono morfologicamente caveolari, ma planari. La Cav-3 è comunque necessaria per la segnalazione. Infatti i βars e le adenilato ciclasi non associati con la CAV-3 non sono in grado di stimolare la produzione di camp Nelle diadi il camp attiva la PKA, che regola positivamente: - l attività canali del Ca2+ (LTCC) - il recettore della rianodina (RyR).

10 Autoregolazione dei canali del Ca2+ di tipo L ( LTCC) I canali del Ca2+ di tipo L (LTCC) si aprono in seguito alla depolarizzazione della membrane plasmatica, inducendo un iniziale innalzamento della concentrazione di Ca2+ nel citosol dei cardiomiciti. L innalzamento della concentrazione del Ca2+ citosolico induce però, più lentamente, un fenomeno di controregolazione, che porta all inattivazione dei canali, dovuto ad interazione con la Ca2+/CaM. Questo fenomeno è indicato come Ca2+/CaM-dependent inactivation (CDI). All inattivazione dei LTCC tramite il suddetto meccanismo contribuisce successivamente anche la frazione di Ca2+ rilasciata dal reticolo sarcoplasmatico nel cytosol. Il fenomeno CDI costituisce un importante meccanismo di feedback negativo. Quando nei miociti viene raggiunta una concentrazione citosolica di Ca2+ sufficiente ad aprire i recettori della rianodina, ulteriori flussi dal mezzo esterno vengono bloccati. Di converso, se l apertura dei canali LTCC produce un ingresso limitato di Ca2+, essi non verranno inibiti attraverso il meccanismo CDI ma rimarranno aperti finché l aumento del Ca2+ citosolico sarà sufficiente per l innesco dell apertuta dei recettori della rianodina.

11 Regolazione dei canali del Ca2+ LTCC da PKA Nei cardiomiociti, la fosforilazione dei canali LTCC costituisce un evento regolatorio molto importante. Il principale tipo di modulazione positiva dei canali LTCC avviene per attivazione della PKA, in seguito a stimolazione b-adrenergica. La fosforilazione dei LTCC attraverso questa via induce: (a) un aumento dell influsso di Ca2+ dal mezzo esterno al comparto citosolico, (b) l immagazzinamento di Ca2+ nel reticolo sarcoplasmatico e (c) un maggior rilascio di Ca2+ che, in seguito ad una più accentuata apertura dei recettori della rianodina, si associa ad una maggiore contrattilità. La fosforilazione dei LTCC operata dalla PKA richiede la presenza di proteine AKAP (A kinase-anchoring proteins). Inoltre,le proteine AKAP, reclutano fosfodiesterasi (PDE), che defosforilano tempestivamente i LTCC.

12 Regolazione dei recettori della rianodina (rilascio di Ca2+ - Ca2+-indotto) I recettori della rianodina (RyR) sono canali tetramerici localizzati sul reticolo sarcoplasmatico dei cardiomiociti, che rilasciano Ca2+ nel citosol attraverso un meccanismo detto rilascio di Ca2+ /Ca2+-indotto. L aumento dei livelli citosolici di Ca2+ consente l avviamento del ciclo dei ponti trasversali a livello dei miofilamenti contrattili. L apertura dei RyR è dovuta al legame di ioni Ca2+ su specifici siti recettoriali, in seguito all attivazione dei canali LTCC. L attivazione può essere potenziata dalla fosforilazione mediante PKA e CamKII.

13 Le proteine FKBP (calstabine) controllano i recettori della rianodina SERCA SERCA Le proteine FKBP si legano ai RyRs con una stechiometria di quattro per omotetramero. In condizioni fisiologiche, le proteine FKBP si legano ai RyRs con alta affinità e stabilizzano lo stato chiuso del canale. La rimozione delle FKBP aumenta di molto sia la probabilità di apertura del canale che la permanenza dello stesso nello stato aperto. Nel cuore, la deficienza di FKBP induce l insorgenza di cardiomiopatie ventricolari.

14 Trasportatori della membrana plasmatica coinvolti nel ristabilimento dei valori basali citosolici di Ca2+ e ruolo della Na+/K+ ATPasi Ca2+ ATPase Na+/Ca2+ exchanger Na+/K+ ATPase Dopo l attitvazione della contrazione muscolare (innescata dal legame del Ca2+ sulla troponina C) il Ca2+ è rimosso dal citosol ed ha inizio la fase di rilasciamento. Circa il 30% del Ca2+ citosolico è estruso nel mezzo extracellulare mediante una plasma-membrane Ca2+- ATPase (PMCA) e lo scambiatore Na+/Ca2+ exchanger (NCX), entrambi presenti nella membrane plasmatica Il rimanente 70% del Ca2+ citosolico è recuperato nel reticolo sarcoplasmatico dalla Ca2+-ATPase SERCA2a.

15 Ripristino dei valori basali di Ca2+: recupero del Ca2+ nel reticolo endoplasmatico e funzione dei fosfolambani SERCA2a, che rimuove normalmente più del 70% del Ca2+ citosolico, è regolata da una famiglia di proteine demominate fosfolambani (PLN). Nella forma non fosforilata i PLN hanno effetto inibitorio su SERCA2a, ma in seguito a fosforilazione da PKA (stimolazione adrenergica) o da Ca2+/CaMK i PLN si dissociano da SERCA2a, che in questo modo viene ulteriormente attivata. Come risultato della fosforilazione dei PLN e dell attivazione di SERCA2a la velocità di rilasciamento cardiaco viene aumentata. Inoltre, nei battiti seguenti, la contrattilità aumenta in proporzione alla quantità di Ca2+ che è stata precentemente immagazzinata nel reticolo endoplasmatico. I PLN sono defosforilati da una protein fosfatasi di tipo-1.

16 Regolazione di SERCA2a mediata dai fosfolambani I fosfolambani sono costituiti da tre domini: a) un dominio citosolico (Ia), con i siti fosforilabili Ser16 e Thr17; b) un dominio citosolico centrale (Ib); c) un dominio transmembrana (II). I fosfolambani (PLN) defosforilati e presenti in forma monomerica interagiscono con la Ca+ ATPasi SERCA2 riducendone l affinità per il Ca2+ (e quindi l attività). La fosforilazione dei fosfolambani, porta invece alla formazione di pentameri che non interagiscono con SERCA2a quindi non hanno attività inibitoria su di essa.

17 Ruolo dell angiotensina II nella regolazione della funzione cardiaca L angiotensinogeno è una a-2-globulina costituita da 452 aminoacidi Angiotensin I Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro- Phe-His-Leu (aminoacidi all N-terminale dell angiotensinogeno) ACE= Angiotensin Converting Enzyme) Angiotensin II Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe

18 Il recettore dell angiotensina II Nei cardiomiociti, l angiotensina II attiva un recettore eptaelica (AT 1 R) accoppiato ad una Ga q /11, che promuove l attivazione della PLCb e la produzione di DAG ed IP3. Il DAG prodotto ed il Ca2+ rilasciato dai depositi IP3-sensibili citosol attivano la PKC. ll rilascio di Ca2+, porta anche all attivazione della CAMKII. Inoltre il DAG attiva una ulteriore protein kinasi, la PKD. Tutte le suddette protein chinasi attivate possono fosforilare e regolare positivamente canali ionici e miofilamenti, nonché inibire fosfolambani come la PKA. Il risultato è un potenziamento dell attività cardiaca.

19 Omeostasi del Ca2+ ed ipertrofia cardiaca Nei cardiomiociti, l aumento dei livelli del Ca2+citosolico attiva non solo la protein chinasi Ca2+/calmodulina-dipendente di tipo II (CamKII), ma anche la calcineurina (Cn), una serina-treonina protein fosfatasi, anch essa CaM-dipendente. L attivazione della Cn induce ipertrofia cardiaca attraverso la defosforilazione di fattori di trascrizione della famiglia NFAT (nuclear factor of activated T cells) che, nella forma fosforilata, sono localizzati nel citosol, nello stato inattivo. L attivazione della calcineurina opera la defosforilazione di NFAT citosolico e la sua traslocazione nucleare, che porta all attivazione di geni legati al programma ipertrofico.

20 Il recettore b3-adrenergico (b3-ar) : effetti opposti negli atri e nei ventricoli nell esercizio fisico intenso Negli atri il recettore b3-ar è accoppiato ad una as e stimola adenilato ciclasi (AC).L attivazione di b3-ar induce la sintesi di camp, che porta all attivazione PKA-mediata dei LLTC ed influsso di Ca2+. Nei ventricoli b3-ar è accoppiato alla ossido nitrico sintasi (enos), attraverso una Gi/o. L attivazione di enos porta alla produzione di NO cha attiva una guailato ciclasi (sgc) ed innalza i livelli intracellulare del cgmp. Ciò porta all attivazione della PKG che a sua volta fosforila ed inibisce parzialmente i canali LTCC. Questa è una risposta adattativa allo stress durante l esecizio fisico intenso volta alla protezione funzionale del cuore.