Elettrofisiologia del cuoreElettrofisiologia del cuore

Cellule differenti: Potenziali d’azione differenti

Quattro importanti caratteristiche elettriche dei potenziali d’azione cardiaci

Fase di plateau lunga nei miociti (~200ms)

Depolarizzazione spontanea (potenz. pacemaker)Innervazione neuronale non richiesta

Propagazione tra le celluleSincizio elettricamente accoppiato

Assicura un’attività ritmica continua

Assicura una forte contrazione

Periodo di refrattarietà lungo nei miociti

Previene la sommazione di scosse muscolari semplici

ObiettiviObiettivicomprendere: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-cellulareOrganizzazione multi-cellulare

= Giunzioni gap

Flusso dell’attività elettrica Flusso dell’attività elettrica cardiaca (potenziali d’azione) cardiaca (potenziali d’azione)

Nodo SA Andatura (stabilisce il ritmo cardiaco)

Muscolo atriale Contrazione

Nodo AV Ritardo

Fibre del Purkinje Rapide, distribuite uniformemente

Muscolo ventricol. Contrazione

Nodo SA

Nodo AV

Fibre diPurkinje

Fascio AV

Potenziale d’azione del nodo SAPotenziale d’azione del nodo SAPo

tenz

iale

di m

embr

.de

l nod

o SA

(m

V)

0

-50

200 msecNon c’è potenziale di riposo

(prepotenziale)

Depolarizzazione lenta e Ca+2-dipendente

Ripolarizzazione K+-dipendente

Nodo SA È un potenziale d’azione al Ca2+!!!!!

Potenziale d’azione del nodo AVPotenziale d’azione del nodo AV

Simile al nodo SA Segnaritmo latente Depolarizzazione lenta,

Ca+2-dipendente Conduzione lenta (ritardo) Ripolarizzazione K+-

dipendente

0

-50

200 msecnodo AV

nodo SA

Pote

nzia

le d

i mem

br.

del n

odo

AV

(m

V)

Nodo AV

È un potenziale d’azione al Ca2+!!!!!

Potenziale d’azione del muscolo atrialePotenziale d’azione del muscolo atriale

Potenziale di riposo (-80 / -90 mV) Attivazione rapida, Na+-dipendente Spalla Ca2+-dipendente Ripolarizzazione K+-dipendente Contrazione e conduzione

0

-50

200 msec

Pote

nzia

le d

i mem

br.

del m

usco

lo a

tria

le (

mV

)

Muscol. atriale

Potenziale d’azione delle fibre del Potenziale d’azione delle fibre del PurkinjePurkinje

Un altro pacemaker latente Attivazione rapida, Na+-dipendente Plateau Ca2+-dipendente Ripolarizzazione K+-dipendente Conduzione rapida

0

-50

200 msec

Pote

nzia

le d

i mem

br.

dell

e fi

bre

del P

urki

nje

(mV

)

Fibre diPurkinje

PdA del muscolo ventricolarePdA del muscolo ventricolare

Potenziale di riposo (-80 / -90 mV) Attivazione rapida, Na+-dipendente Plateau Ca2+-dipendente Ripolarizzazione K+-dipendente Contrazione

0

-50

200 msec

Pote

nzia

le d

i mem

br.

del m

usco

lo v

entr

icol

are

(mV

)

Muscolatura ventricloare

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 “Ca-activated 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.

Canali ionici nei muscoli ventricolare e atrialeCanali ionici nei muscoli ventricolare e atrialeP

oten

zial

e di

mem

bran

a de

l mus

colo

ven

tric

olar

e (m

V)

-50

0

200 msec

Canali del K (KA)

Canali del K “delayed rectifier”

IK1

Canali del Navoltaggio-dip.

Canali del K “anomalus rectifier”

Canali del Cavoltaggio-dip.L-type

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 cardiaciCanali 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 CardiaciCanali 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”

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.

Appartengono alla classe dei canali HCN: “canali cationici attivati dall’iperpolarizzazione”.

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’onda P è dovuta alla depolarizzazione del nodo SA.

Il complesso QRS è dovuto alla depolarizzazione ventricolare.

L’onda T corrisponde alla ripolarizzazione ventricolare.

L’Elettrocardiogramma (ECG)

Relazione tra sequenza dei potenziali Relazione tra sequenza dei potenziali d’azione nel cuore ed elettrocardiogrammad’azione nel cuore ed elettrocardiogramma

AV

Purkinje

Ventricoli

ECGTP

approx. 0.44 s

SA

Atrii

0.12-0.2 s

Nodo SA

Nodo AV

Fibre diPurkinje

Fascio AV

R

Q S

P ≡ depolarizzazione del nodo SA.

QRS ≡ depolarizzazione ventricolare.

T ≡ ripolarizzazione ventricolare.

Il nodo SA genera un impulso: incomincia l’eccitamento atriale

Nodo SA

Impulso ritardato al nodo AV onda P finisce

Nodo AV

L’impulso passa all’apice del cuore: incomincia l’eccitamento ventricolare

Rami del fascio di His

L’eccitamento ventricolare è completo complesso QRS

Fibre del Purkinje

Eccitamento cardiaco correlato all’elettrocardiogramma

P

Q

R

SQ

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.

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.

Elettrocardiogramma: l’intervallo QT

intervallo QT

Ventricoli

ECGTP

approx. 0.44 s

R

Q S

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 -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 Localizz.

KCNQ KvLQT1 Gly168Arg

Gly314Ser

Ala341Glu

Ala341Val

S2

Poro

S6

S6

KCNH HERG Ala561Thr

Ala561Val

Ala614Val

S6

S5

poro

FINE

Verifiche

Perché il potenziale d’azione cardiaco, come quelli neuronali presentano un periodo di

refrattarietà?

Il periodo di refrattarietà rappresenta il tempo necessario per il ripristino della normale conformazione delle porte

(gates) del canale del Na+ (le porte di attivazione si chiudono, quella dell’inattivazione si apre.

La lidocaina è un farmaco che blocca i canali voltaggio-dipendenti del Na+ cardiaci. Cosa succede al potenziale d’azione di una cellula miocardica contrattile se si applica lidocaina

alla sua membrana?

Se i canali del Na+ voltaggio-dipendenti sono bloccati la cellula non è in grado di depolarizzarsi e quindi di contrarsi

Ritenete che i canali del Ca2+ presenti nelle cellule autoritmiche siano identici ai canali del Ca2+ presenti nelle cellule contrattili?

Giustificate la risposta.

I canali del Ca presenti nelle cellule autoritmiche non sono identici a quelli delle cellule contrattili. I primi si aprono rapidamente quando il potenziale di membrana raggiunge il valore di -50 mV e inattivano

quando viene raggiunto il valore di +20mV. I secondi sono più lenti ad attivarsi e non si aprono fino a quando la membrana non sia

depolarizzata completamente.

Cosa succede al potenziale d’azione di una cellula miocardica autoritmica se viene

somministrata TTX che blocca i canali voltaggio-dipendenti del Na?

Assolutamente nulla! Poiché tali cellule non presentano canali voltaggio-dipendenti del Na.

Indicare due funzioni del nodo AV. Qual è lo scopo del ritardo introdotto dal nodo AV nella

conduzione dei segnali elettrici?

Consente il trasferimento dei potenziali d’azione dagli atri ai ventricoli. Inoltre rallenta la conduzione di tali potenziali: in questo

modo la contrazione atriale si completa prima che quella ventricolare abbia inizio.

Identificare le onde dell’ECG riportato qui sotto e spiegare cosa accade quando un’onda P non è seguita da un complesso QRS.

Cominciando da sinistra: P, P, QRS, T, P, P, ecc.

Un’onda P non seguita da un complesso QRS è indice di un blocco intermittente della conduzione a livello del nodo AV.

Canali ionici nel muscolo ventricolareCanali ionici nel muscolo ventricolareP

oten

zial

e di

mem

bran

a de

l mus

colo

ven

tric

olar

e (m

V)

-50

0

200 msec

Canali del K inattivanti (ITO)

“Canali del K “rapidi” (IKr)

Canali del K “lenti” (IKs)

IK1

Canali del Navoltaggio-dip.

Canali del K “ultra-rapidi” (IKur)

Canali del Cavoltaggio-dip.

Canali ionici nel muscolo ventricolareCanali ionici nel muscolo ventricolare

Corrente

Corrente di Na

Corrente di Ca

IK1

ITO

IKur

IKs

IKr

Geni

SCNA5

CACNL1A1

Kir2.1 (KCNJ2)

Kv4.3 (KCND3)

Kv1.5 (KCNA5)

HERG (KCNH2) + miRP1 (KCNE2)

KvLQT1 (KCNQ1) + minK (KCNE1)

Canali del K Canali del K cardiaci cardiaci

voltaggio-voltaggio-dipendentidipendenti

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

Canali del K inattivanti (ITO)

Canali del K “rapidi” (IKr)

Canali del K “lenti” (IKs)

Canali del K “ultra-rapidi” (IKur)

Struttura dell’Inward Rectifier (IRK1)Struttura dell’Inward Rectifier (IRK1)

M1 M2

HO2CH2N

Interno

Regione P

Fluido extracellulare

membrane

Nota: non ha un “sensore del voltaggio”

Canali Inward RectifierCanali Inward Rectifier

0

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

Cor

rent

e

Vm (mV)

Ruolo dell’Inward RectifierRuolo 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 nodaliCanali ionici nelle cellule nodali

Corrente di Ca CACNL1A1

Correnti di K

Corrente Gene

Various

HCN4 If (corrente pacemaker)

Canali del Ca della muscolatura cardiacaCanali 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 cuoreCanali ionici nel cuoreRuolo fisiologico

Obiettivi da comprendereObiettivi 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

Canali ionici nelle cellule nodaliCanali ionici nelle cellule nodali

0

-50

200 msec

Canali If (pacemaker)

Canali del Ca+2 volt.-dip. (T)

Canali del K+ volt.dip.

Pot

enzi

ale

di m

embr

. del

nod

o S

A (

mV

)

Canali ionici nelle fibre del PurkinjeCanali ionici nelle fibre del Purkinje

Gli stessi delle cellule ventricolari Più una quantità molto piccola di canali If

(pacemaker)

Farmaci antiarritmiciFarmaci antiarritmici

Classe I: Azione di anestetici locali, riducendo la corrente di Na Quinidina Lidocaina

Classe III: prolungamento del potenziale d’azione – di solito inibendo canali del K cardiaci 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 P-R 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?