CHE IMPORTANZA HA LA STRUTTURA? WHY STRUCTURE?

CHE IMPORTANZA
HA LA STRUTTURA?
IL RUOLO ESSENZIALE DELLE CORRELAZIONI
TRA STRUTTURA E FUNZIONE NEL RIVELARE
IL MECCANISMO DI ACCOPPIAMENTO
ECCITAZIONE-CONTRAZIONE NEL MUSCOLO
WHY STRUCTURE?
THE CONTRIBUTION OF STRUCTURE-FUNCTION
CORRELATIONS TO THE UNDERSTANDING
OF EXCITATION-CONTRACTION COUPLING
IN MUSCLE
Clara Franzini-Armstrong
L
’architettura tridimensionale dei muscoli striati aiuta a comprendere le correlazioni tra struttura e funzione che sono alla base dell’interpretazione di molti se non tutti i processi funzionali degli organismi viventi. In questo articolo si considera il ruolo storico delle scoperte
strutturali che hanno guidato la rivelazione
del meccanismo di accoppiamento tra eccitazione e
contrazione (e-c) nel muscolo.
Un tema comune è che la ricerca comparativa nella
scala zoologica è stata molto produttiva rivelando la
massima parte dei meccanismi di base di questo fondamentale meccanismo. Andrew F. Huxley nel 1971 pro30
T
he stereotyped architecture of striated muscles simplifies the task of establishing structure-function correlations. This review illustrates the historical role played by structural
considerations in uncovering the basic mechanisms underlying the events in muscle activation, collectively called excitation-contraction (e-c) coupling. One connecting thread in this account is the extremely fruitful use of “Nature’s experiments” in solving outstanding questions. Andrew F.
Huxley (1971) convincingly argues the case for com-
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pose, in maniera convincente, il vantaggio di studiare le
diverse tipologie muscolari striate che sono presenti in
natura.
Gli interventi sperimentali fatti con l’intento di estendere e confermare i dati ottenuti in questo modo sono,
invece, relativamente recenti.
L’Autrice è costretta, per brevità, a ridurre i riferimenti
bibliografici, e si scusa per non poter citare i numerosi
scienziati che, per un periodo di più di cinquanta anni,
hanno contribuito a delineare i contorni di questa affascinante storia.
IL PROBLEMA
Gli esperimenti iniziali di elettrofisiologia hanno
messo in evidenza che le proprietà passive delle fibre
muscolari erano alquanto differenti da quelle degli assoni neuronali. Il calcolo effettuato indicava un’apparente
capacitanza specifica di ~ 8 !F/cm2 per la rana e ~ 40
!F/cm 2 per il granchio (Fatt e Katz, 1953). Le osservazioni strutturali, mostrando che la membrana cellulare
della fibra penetra a formare i tubuli trasversali (T) e
anche delle pieghe estese nel granchio, sono la base per
parative approaches using the wonderful variety of existing muscle types. Human experimental interventions aimed at further altering what Nature provided
are relatively recent.
The author regrets the necessity of referring to a very
limited number of publications (mostly review articles),
thus failing to give credit to the numerous scientists
that have contributed to this story over a period of over
50 years.
AN APPARENT PUZZLE
With the use of internal microelectrodes it was discovered that passive electrical properties of muscle fibers differed from those of axons. The apparent specific membrane capacitance was ~ 8 !F/cm2 for frog and ~ 40 !F/
cm2 for crab (Fatt and Katz, 1953). Structural observations directly solved this mystery by showing that the
surface plasmalemma invaginates into transverse (T) tu-
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la soluzione di quest’apparente discrepanza. La superficie esterna delle fibre muscolari è difatti molto più estesa di quella che può apparire a un’osservazione bidimensionale e ciò implica un’alta capacitanza totale. Con
l’aggiunta delle caveole, si calcola infatti che la capacitanza specifica delle fibre di rana è 0,8 !F/ cm 2 (Franzini-Armstrong, 2004).
La soluzione del problema
Nel 1949 il fisiologo inglese A.V. Hill aveva posto
l’attenzione su un punto fondamentale dell’accoppiamento elettromeccanico: tutta la fibra è attivata subito
dopo la depolarizzazione del plasmalemma più rapidamente di quello che ci si potesse aspettare sulla base
della diffusione, dalla periferia al centro, di un elemento attivatore (successivamente identificato con il Ca 2+)
generato alla superficie. Il problema attrasse l’attenzione
di Huxley il quale ideò una serie di esprimenti di “stimolazione localizzata”, dove piccole zone della superficie esterna della fibra erano depolarizzante, mentre la
contrazione locale dei sarcomeri veniva registrata al microscopio ottico. Con questo metodo venne dimostrata
la necessità della presenza di un elemento conduttore
bules and also into large folds in crab fibers, thus increasing the effective surface area and accounting for the large
specific capacitance values. Further consideration of the
caveolae reduced the calculated specific capacitance of
frog fibers to 0.8 !F/ cm2 (Franzini-Armstrong, 2004)
Solution to a question
In 1949 the English physiologist A.V. Hill identified a challenge to e-c coupling: the entire fiber cross
section is activated following plasmalemma’s depolarization faster than could be accounted for by inward
diffusion of a solute (Ca 2+) generated at the fiber surface. This stimulated the imagination of Huxley. In a
series of “local stimulation” experiments he combined
localized depolarization of small surface patches with
imaging of the resulting sarcomere shortening, demonstrating the presence of a component that could
transmit the effect of depolarization into the fiber interior (AF Huxley, 1971). By lucky coincidence, EM
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che potesse trasmettere la depolarizzazione in direzione
trasversale entro la fibra (AF Huxley, 1971). Per buona
fortuna, il reticolo sarcoplasmatico (RS), i tubuli trasversi (T) e le triadi furono proprio allora descritti in
ME (Porter and Palade, 1957). Così gli esperimenti di
Huxley, che aveva affrontato il problema con metodo
comparativo, usando muscoli di rana, lucertole e granchi, trovò la sua naturale conferma dalla presenza di alcune delle strutture evidenziate al ME. Ciò permise di
correlare in maniera incontrovertibile le zone attive con
la posizione dei tubuli T (figura 1) e dette inizio alla ricerca sull’accoppiamento e-c.
Dalle osservazioni ultrastrutturali allora disponibili,
però, mancava ancora un elemento essenziale: la dimostrazione che i tubuli T sono aperti alla superficie verso
l’interstizio. La continuità diretta tra il tubulo T e il
plasmalemma fu rivelata prima nei muscoli d’insetti,
poi nel muscolo scheletrico e fu confermata indirettamente con l’infiltrazione nel lume dei tubuli T di tracer visibili al microscopio elettronico o per fluorescenza
(Franzini-Armstrong, 2004). I due ultimi metodi sperimentali sono oggi di uso corrente nello studio delle alterazioni al sistema di tubuli T indotte da eventi patologici.
was just then describing the sarcoplasmic reticulum
(SR), triads and T tubules (Porter and Palade, 1957).
AF Huxley approached the problem using a variety of
sources: frog, lizard and crab. The comparative approach was essential to the triumphant meshing of
function and structure that quickly followed, allowing
a correspondence to be established between activation
hot spots and the mouth of T tubules. This provided
the basis for inward spread of activation (Fig. 1), and
initiated the modern era of e-c coupling research.
A key element was still missing: a visualization of
the continuity between the membranes of T tubules
and plasmalemma. This was first detected in insect
muscle, later shown in skeletal muscles and indirectly
confirmed by infiltration of electron dense and/or fluorescent tracers into the tubule lumen (Franzini-Armstrong, 2004). The latter experimental approaches are
current in the study of T tubules alterations under
pathological conditions.
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LA RESISTENZA DI ACCESSO
Nello studio delle proprietà elettriche passive dei tubuli T si evidenziò subito una complicazione. Le soluzioni
dei complessi modelli elettrotonici sviluppati per spiegare
le proprietà delle reti di tubuli T prevedevano una resistenza di “accesso” al lume dei tubuli T. Questo si supponeva indicasse l’esistenza di un cancello o un restringimento dell’apertura del tubulo verso l’interstizio. Anche
in questo caso, la struttura risolse il dubbio, dimostrando
che in effetti i segmenti periferici dei tubuli T sono di
forma molto complessa e che le aperture della rete di tubuli che attraversa la fibra sono poche e spesso a diametro ridotto. Tutti questi fattori contribuiscono a produrre
una, relativamente elevata, resistenza di accesso al lume
dei tubuli.
QUALE STRUTTURE
SEQUESTRANO IL Ca 2+?
La scoperta, nel muscolo striato, della conduzione del
segnale elettrico via tubuli T chiarisce il problema del
tempo di latenza che coincide con la diffusione della de-
THE ACCESS RESISTANCE
A complication soon arose in determining the passive
electrical properties of T tubules. The solutions of complicated modeling required an access resistance perhaps
either a “plug” or narrowing at the mouth of the tubules
or complicated network factors. Again, structural considerations helped elucidate the problem. EM showed
that the most peripheral segments of the T tubule network are often quite convoluted and the actual openings are limited in frequency and narrow. These configurations would result in an apparent access resistance.
WHICH ELEMENTS SEQUESTER Ca 2+?
Discovery of electrical events in T tubules solved the
question of timing, but did not identify the source of
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Figura 1 Sezioni longitudinali
di muscoli scheletrici di rana (a) e lucertola (b).
Triadi col tubulo T centrale sono in prossimità
della linea Z e della giunzione A-I (frecce),
dove la depolarizzazione localizzata
produce una contrazione.
Figure 1 Longitudinal sections of skeletal muscles
from frog (a) and lizard (b).
Triads with a central T tubule (arrows)
are located at the Z line and A-I junction
respectively. The location coincides the sites
at which local depolarization elicits
an inward spread of contraction.
polarizzazione, ma non identifica le strutture di origine
del Ca 2+ necessario per attivare, o disinibire, la contrazione. Queste strutture furono definite solo quando vennero
identificati i sistemi interni che riprendono il Ca 2+ durante il rilasciamento del muscolo. Anche qui la ME ha giocato un ruolo fondamentale. Nel 1962 Ebashi and Lipmann scoprirono che la frazione dell’omogenato di muscolo che ha un effetto rilasciante è composta di vescicole
che derivano dal RS. Quest’ultime sono dotate, nella
membrana, di un sistema di pompaggio del Ca 2+ la cui
azione nell’accumulare Ca 2+ al loro interno spiega completamente il rilasciamento muscolare (Weber et al.,
1963).
A differenza del muscolo scheletrico dove il ciclo del
Ca 2+ è ben controllato e per lo più ristretto al ciclo interno del RS, il muscolo cardiaco ha un traffico notevole di Ca 2+ anche attraverso il plasmalemma, per
mezzo dei canali voltaggio-dipendenti (CaV1.2), dello
scambio Na/Ca e di una pompa del Ca 2+ della membrana esterna.
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Ca 2+ necessary for activating (or disinhibiting) contraction. That question was addressed by defining the fiber
component responsible for Ca 2+ uptake during relaxation. Here again EM played a major role. The fraction
of the muscle homogenate that accounted for relaxation
by sequestering Ca 2+ was discovered to be a collection of
vesicles derived from the SR (Ebashi and Lipmann,
1962). The vesicles had an intrinsic ATPase (the Ca 2+
pump) in their membrane and by their action in accumulating Ca 2+ they could fully account for relaxation
(Weber et al., 1963).
In skeletal muscle Ca 2+ cycling is very tight: very little Ca 2+ enters the fiber at each action potential and
very little of course exits after contraction. The SR is a
very efficient Ca 2+ sink. In cardiac muscle on the other
hand, there is considerable trafficking of Ca 2+ across the
plasmalemma, via the voltage gated calcium channels
(CaV1.2), the Na/Ca exchange and the plasmalemma’s
Ca 2+ pump.
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UN’IDEA SBAGLIATA!
Una volta saputo che il tubulo T conduce la depolarizzazione e che il RS immagazzina Ca 2+, è chiaro che la sequenza degli eventi depolarizzazione ! liberazione di
Ca 2+ !" contrazione, impone che i tubuli T e il RS debbano comunicare tra loro. Anche in questo caso l’analisi
della struttura ha preceduto la definizione del meccanismo fisiologico con la scoperta delle triadi nel muscolo
scheletrico e poi delle diadi e i peripheral couplings nel
muscolo cardiaco (Porter and Palade, 1957). Questi elementi costituiscono variazioni strutturali di un tema comune: l’accoppiamento di domini specializzati del RS (il
RS giunzionale, RSg) con i tubuli T (triadi e diadi) o il
plasmalemma (peripheral couplings, PCs).
Si era inizialmente proposto che la connessione T/RS
(triade) potesse costituire un tipo di sinapsi elettrica, in
cui la corrente, passando dal tubulo T al RS, potesse depolarizzare direttamente il reticolo. Invece dall’analisi
strutturale fu subito evidente che la superficie totale del
RS è ~ 10 volte maggiore di quella dei tubuli T (figura
2a). Considerando la placca motrice, alcuni anni prima,
Del Castillo e Katz avevano calcolato che un simile rapporto di superfici tra il nervo terminale e la fibra musco-
A WRONG IDEA!
Once it was clear that T tubules transmit the depolarization and that the SR contains Ca 2+, it was clear
that somehow T and SR must communicate. Here
structural findings preceded functional discoveries with
the description of triads in skeletal muscle (Porter and
Palade. 1957), followed shortly by that of dyads and peripheral couplings in cardiac and invertebrate muscles.
These elements are structural variations on one theme:
they all consist of specialized SR domains (the junctional, jSR) that come to close proximity to either T tubules
(triads and dyads) or plasmalemma (peripheral couplings, PCs). It was initially proposed that the T tubule/
SR connection could be a type of “electrical synapse” by
which the T tubule could depolarize the SR by direct
current flow. However the SR surface area is higher
than that of T tubules by ~ ten fold (Fig. 2A). In considering motor endplates, at an earlier date, Del Castillo
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lare avrebbe reso un sinapsi elettrica non efficace per via
di un impedance mismatch. Il problema fu risolto con
l’identificazione della natura chimica della sinapsi neuromuscolare, ma nel caso delle triadi, dopo infruttuosi tentativi per l’identificazione di un trigger chimico, si andò
alla ricerca di un nuovo meccanismo, con la guida di
considerazioni strutturali.
UNA FUNZIONE IN CERCA DI UN CANALE
L’attivazione del muscolo è iniziata dalla depolarizzazione del plasmalemma (e dei tubuli T), suggerendo l’esistenza di un “sensore di voltaggio”. Schneider e Chandler
(1973) sono andati in cerca di un segnale elettrico che
potesse rivelare la presenza di un tale componente. Hanno rivelato un “movimento di carica” attivato ai potenziali critici per l’attivazione del muscolo. Anticiparono il
futuro proponendo che il “sensore di voltaggio” con componente molecolare non ancora identificata, potesse controllare la permeabilità di un canale di rilascio del Ca 2+
del RS per mezzo di un’interazione molecolare diretta.
Questa è una predizione che precedette e guidò il cammino della ricerca sull’accoppiamento e-c per molti anni.
and Katz calculated that an equivalent difference between nerve terminal and muscle fiber would result in
an impedance mismatch such that the nerve could not
effectively depolarize the muscle. A chemical synapse
was the alternative in the case of the neuromuscular
junction, a new mechanism had to be discovered for the
triad, and structure helped to guide thinking.
A FUNCTION WITHOUT A CHANNEL
Muscle activation is initiated by a depolarization of
the surface membrane, implying the presence of a
“voltage sensor”. Schneider and Chandler (1973)
looked for an electrical signal that would betray the
presence of such a component. They detected such a
signal in the form of a “charge movement” at voltages
critical for the initiation of contraction, and they anticipated the future by suggesting that the yet uniden-
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Figura 2 Sezioni longitudinali di muscolo EDL
nel topo. a, I colori indicano: verde RS libero;
turchese RS giunzionale; arancione tubuli T;
viola: mitocondri. La superficie del RS è più larga
che quella dei tubuli T. b, Dettaglio di una triade
con densità periodiche, i piedi, o RyR o canali di rilascio
del calcio tra le due cisterne del RSg e i tubuli T.
Figure 2 Longitudinal sections from mouse EDL
muscle.
a, Compartments are color-coded. Green: free SR.
Turquoise: jSR. Orange: T tubules. Purple:
mitochondria. The SR has a surface area much larger
than T tubules. b, Detail of a triad showing
periodically disposed densities, the feet, between the two
jSR cisternae
and the central T tubule. Feet are ryanodine receptors
or SR Ca2+ release channels.
I CANALI DEL RILASCIO DEL Ca 2+
Il canale che permette l’uscita del Ca 2+ dal RS fu alla
fine trovato proprio nella membrana che si affaccia verso
i tubuli T. Triadi, diadi e PCs hanno gli stessi componenti. In particolare, lo spazio tra il RSg e il tubulo T è
occupato da strutture chiaramente visibili al ME denominate “piedi” (figura 2b) (Franzini-Armstrong, 2004). I
piedi sono parte della membrane del RS e sono presenti
in tutti i muscoli, una dimostrazione della loro importanza fondamentale nell’accoppiamento e-c.
Nel 1985 Pessah identificò un sito ad alta affinità per la
rianodina nel RSg dei muscoli scheletrici e cardiaci. Poco
dopo la molecola chiamata “recettore della rianodina”
(RyR) fu purificata e identificata con il canale che rilascia
il Ca2+ dal RSg. Fu subito chiaro che il RyR isolato aveva le
stesse dimensioni e le stesse quattro subunità dei piedi, indicando che il rilascio del Ca2+ avviene proprio dove il RSg
si accoppia al tubulo T (Block et al., 1988). Quindi si può
identificare la funzione di triadi, diadi e PC come unità di
rilascio del Ca2+ o, in breve, CRUs.
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tified voltage sensor would control yet unidentified SR
channels by some direct, or “mechanical” interaction.
This was an incredible foresight, that predicted and
guided the course of future e-c coupling research.
THE Ca 2+ RELEASE CHANNELS
The channel that allows the release of Ca 2+ from the
SR was indeed found to be located where the SR faces
the T tubules, ready to get a signal from them. A feature common to triads, dyads and PCs is the presence
of a junctional gap occupied by large structures, the
feet, see Fig. 2B (Franzini-Armstrong, 2004). Feet belong to the jSR membrane and are present in all muscles indicating that they are an essential feature of the
muscle cell.
In 1985 Pessah identified a high affinity ryanodine
binding site on the jSR of skeletal and cardiac muscle
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INTERAZIONE TRA DUE CANALI DEL Ca 2+
L’identificazione del sensore di voltaggio con un canale
del calcio ad attivazione lenta, CaV1, richiese vari anni,
perché la natura ha giocato uno scherzo ai fisiologi: il canale in questione porta pochissima corrente nel muscolo
scheletrico (o addirittura nulla nel muscolo di pesce) quando è attivato. Da ciò ne deriva che il passaggio di corrente
di Ca2+ attraverso il canale non è necessario per attivare il
muscolo. Comunque il canale è bloccato dalle diidropiridine, un profilo farmacologico che ne permise l’identificazione, la purificazione e la localizzazione nei tubuli T.
Nel 1987 Rios e Brum scoprirono che le diidropiridine
hanno un effetto sia sul canale CaV1.1 del muscolo scheletrico sia sulla liberazione del Ca 2+ dal SRg: indicando,
con ciò, una relazione tra i due fenomeni. La prova finale
fu ottenuta analizzando i muscoli provenienti da un topo
con una mutazione spontanea, in cui il canale CaV1.1
non veniva espresso in maniera normale e perciò mancavano sia la corrente di Ca 2+ sia il “movimento di carica”
nei tubuli T. A ciò corrispondeva il blocco dell’accoppiamento e-c. Tutti questi difetti erano riconducibili alla
mancanza della subunità "1 di CaV1.1 (Knudson et al.,
1989) e venivano eliminati utilizzando la tecnica di ripri-
and briefly after the ryanodine receptor (RyR) was purified and identified as the SR Ca 2+ release channel. Importantly, the isolated RyR had the same structure as
the feet, indicating that Ca 2+ is released where the SR
contacts the T tubules (Block et al., 1988). Triads, dyads and PCs can thus be functionally identified as Ca 2+
release units or CRUs.
TWO INTERACTING Ca 2+ CHANNELS
Identification of the voltage sensor as a slow activating Ca 2+ channel, CaV1, took a few more years because
Nature played a bad trick on physiologists: the channel carries very little current in skeletal muscle. However, it also has a specific pharmacological profile: a
high affinity for dihydropyridines, a property that allowed its isolation and identification as a component
of T tubules.
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stino del gene mancante mediante inclusione del cDNA
corrispondente.
Nel frattempo la ME era di nuovo all’avanguardia. La
tecnica di criofrattura rivelava la presenza di una proteina
intrinseca dei tubuli T organizzata in gruppi di quattro
(tetradi) che erano perfettamente allineate con i piedi del
RSg (figura 3a,b) (Block et al. 1988). L’ipotesi iniziale
che le tetradi dei tubuli T rappresentino gruppi di quattro canali CaV1.1 direttamente attaccati alle quattro subunità dei piedi (RyR) fu confermata dalla mancanza di
tetradi nel muscolo disgenico (KO per la subunità alfa1)
e il loro ripristino col cDNA per CaV1.1.
L’ipotesi corrente che il CaV1.1 interagisce direttamente con RyR1 nel muscolo scheletrico è confermata dalla
dimostrazione che i due canali hanno una reciprocità
funzionale (Nakai et al., 1996) che deriva dalla relazione
diretta tra piedi e tetradi.
CARDIACO VERSUS SCHELETRICO
La natura ha provveduto a formare un’altra situazione sperimentale interessante. All’inizio dell’evoluzione
dei vertebrati ci fu un raddoppiamento del numero dei
Rios and Brum (1987) found that dihydropyridines
affected both the channels and SR c Ca 2+ release providing the first indication of a relationship between the
two. The clinching proof came with the dysgenic mouse
model, in which lack of slow Ca 2+ current and charge
movement coincided with e-c coupling block. All defects were due to lack of CaV1.1 "1 subunit (Knudson
et al., 1989). and were restored by its cDNA.
In the meantime, EM was again a step ahead. The
freeze-fracture technique revealed an intrinsic protein of
T tubules organized in small groups of four (the tetrads) in perfect alignment with the underlying SR feet,
see Fig. 3A and B (Block et al. 1988). Once the voltage
sensors of e-c coupling were identified, the connection
was quickly made with the proposal that T tubule tetrads represented clusters of four CaV1.1 channels specifically locked in position over the RyR1 and this was
confirmed by lack of tetrads in dysgenic muscles and its
restoration by CaV1.1 cDNA..
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Figura 3 Diagramma (sinistra)
e immagini di criofrattura (destra)
dimostrano il rapporto tra tetradi
di CaV1.1 e RyR1
in muscolo scheletrico (a e b)
e tra CaV1.2 e RyR2
nel muscolo cardiaco (c e d)
(d, foto di F. Protasi).
Figure 3 Diagrams (at left)
and freeze-fracture images
(at right) showing the
retaionship between CaV1.1/
RyR1 in skeletal (a and b)
and RyR2/Cav1.2
cardiac (c and d) muscles
(d, courtesy of F. Protasi.
geni e si stabilirono così i rapporti strutturali dell’attivazione del muscolo scheletrico: CaV1 tetradi e interazione diretta tra CaV1.1 e RyR1 (DiBiase e FranziniArmstrong, 2005). Nel processo evolutivo il muscolo
cardiaco rimase, per così dire, indietro mantenendo il
meccanismo degli invertebrati, in cui la corrente di
Ca 2+ attraverso il canale CaV1.2 è necessaria per l’attivazione (vedi gli esperimenti classici di Ringer). Rispetto a CaV1.1, CaV1.2 ha una cinetica d’attivazione più
rapida e una corrente più forte. Prese piede così l’ipotesi che l’interazione tra CaV1.2 e RyR2 nel muscolo cardiaco fosse mediata dal Ca 2+ stesso. Il meccanismo ipotizzato prese il nome di Ca 2+ induced Ca 2+ release, (CICR; Fabiato, 1989). Il meccanismo di CICR necessita
di una vicinanza tra i due canali, ma non ha bisogno
che essi siano connessi direttamente. In effetti la ME
dimostra proprio questo: il canale CaV1.2 nel muscolo
cardiaco è associato con le CRUs in vicinanza dei
RyR2, ma non forma tetradi e quindi non è direttamente connesso con esse, (figura 3c,d; Protasi et al.,
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The current hypothesis that CaV1.1 directly interacts
with RyR1 in skeletal muscle is strongly supported by
the demonstration of a reciprocal interaction between
the two channels (Nakai et al., 1996) and by the tetrad/
feet relationship.
CARDIAC VERSUS SKELETAL
Nature provides an additional experiment. At the
threshold of vertebrate evolution a duplication of muscle genes occurred and the paradigms of skeletal muscle e-c coupling (direct interaction and structural association of CaV1and RyR) were established (DiBiase
and Franzini-Armstrong, 2005). In this process cardiac muscle was left behind, maintaining the e-c coupling mechanisms of invertebrate muscles. Differently
from skeletal, cardiac muscle requires extracellular
Ca 2+ for e-c coupling (see the classical experiments by
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1996). Anche in questo caso, la struttura conferma e
rinforza i concetti funzionali.
Le diverse relazioni tra struttura e funzione nei muscoli scheletrici e cardiaci hanno offerto potenti metodi
sperimentali. Il concetto che l’associazione diretta tra le
tetradi di CaV1.1 e i RyR1 è necessaria per l’accoppiamento funzionale di tipo scheletrico e che la prossimità
tra CaV1.2 e RyR2, senza bisogno di legame diretto è
sufficiente per il coupling cardiaco è stato confermato in
numerosi esperimenti degli ultimi 10-15 anni.
Clara Franzini-Armstrong
University of Pennsylvania, Philadelphia (PA) USA
[email protected]
Ringer), and its Ca 2+ channel (CaV1.2) has faster activation kinetics and larger currents than CaV1.1. The
concept was developed that CaV1.2 interacts with
RyR2 in cardiac muscle by an indirect link via Ca 2+
(calcium induced calcium release, CICR, reviewed by
Fabiato, 1989). CICR would require proximity between the two channels but not necessarily a locked
position. Indeed this is what EM shows: CaV1.2 in
cardiac muscle is associated with CRUs, but does not
aggregate into tetrads (Protasi et al., 1996). Again,
structure supports and strengthens functional concepts (Fig. 3, C and D).
Structure/function differences between skeletal and
cardiac e-c coupling have provided powerful research
tools. The concepts that tetrads/feet association is required for a skeletal type e-c coupling independent of
extracellular Ca 2+ and mediated by a direct CaV1/RyR1
interaction, and that close CaV1.2-RyR2 positioning,
but not close association, is sufficient for cardiac-type
e-c coupling have been repeatedly tested and stood the
test of time.
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Acknowledgements: Supported by NIH RO1 HL 48093
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