Funzionamento e regolazione del sistema circolatorio umano

Scambi di sostanze negli animali

Le condizioni ottimali dell’ambiente interno vengono regolato grazie a uno scambio continuo di sostanze tra esso e l’esterno.

Tipi di apparati circolatori

Ci sono due tipi di apparati circolatorio:

1) Aperto: posseduto da alcuni invertebrati, e quasi tutti i molluschi, nel quale il fluido circola parzialmente nei vasi dai quali si riversa direttamente nelle cavità corporee a diretto contatto con le cellule.

2) Chiuso: posseduto dai vertebrati, dagli anellidi e dai molluschi cefalopodi, in cui il fluido, il sangue in questo caso, resta sempre nei vasi senza entrare in contatto con i tessuti. Gli scambi avvengo tramite una rete letto vasale di capillari. Il cuore è più muscoloso e pompa il sangue con maggior pressione.

Gli apparati chiusi sono divisibili:

1) Circolazione semplice: dei pesci in cui il sangue passa solo una volta dal cuore (da cuore a branchie e poi direttamente a periferia); il cuore è diviso in due cavità, atrio e ventricolo.

2) Circolazione doppia: degli anfibi, rettili (tre cavità: due atri e un ventricolo) uccelli e mammiferi (due atri e due ventricoli) in cui il sangue passa due volte dal cuore (cuore, polmoni, cuore, periferia).

Circolazione negli esseri umani

Nell’uomo ci sono due sistemi di trasporto interno: l’apparato circolatorio cardiovascolare formato dal sangue, dai vasi e dal cuore; esso ha funzione di trasporto di sostanze e di mantenimento, tramite il sangue, dell’omeostasi: il sangue infatti scambia sostanze con il liquido interstiziale attraverso le pareti dei vasi e di conseguenza le sostanze sono scambiate tra il liquido interstiziale e l’interno delle cellule. L’eccesso di questo liquido entra nel sistema linfatico (formato dai vasi e dalla linfa) che lo restituisce al sistema circolatorio.

Composizione del sangue

Il sangue è un tessuto connetto formato da cellule immerse in una sostanza fondamentale fluida, la matrice. Il corpo contiene circa 5 litri di sangue:

il 55% formato da plasma, liquido di colore giallo pallido costituito per il 91-92% da acqua, funge da solvente per molte sostanze. In esso si trovano ioni, zuccheri, lipidi, aminoacidi, vitamine, ormoni e proteine plasmatiche, prodotte dal fegato:

1) Albumina: mantiene costante la pressione osmotica del sangue;

2) Globulina: ha una funzione immunologica;

3) Fibrinogeno: funzionale al coagulamento tramite la vitamina K;

il 45% dalla frazione cellulare di cui fanno parte:

Funzioni dei globuli rossi

1) I globuli rossi: o eritrociti cellule di piccole dimensioni (7 µm di diametro) specializzato nel trasporto di ossigeno dai polmoni ai tessuti. Sono prive di nucleo (per questo vivono 120 giorni in quando mancano i geni per dirigere la sintesi delle proteine), a forma di disco biconcavo e circondate da una membrana plasmatica sottile. Le cellule perdono in nucleo durante la maturazione e ospitano grandi quantità di emoglobina (300 milioni di molecole), una proteina contenente ferro, capace di legarsi con l’ossigeno, di colore bluastro che diventa rosso quando si lega all’ossigeno formando l’ossiemoglobina. Essa trasporta anche parte dell’anidride carbonica, rifiuto della respirazione. I globuli rossi sono prodotti dal midollo osseo. Sono presenti per mm3 4.5-5 milioni di globuli rossi, che diminuiscono i caso di patologie come l’anemia

Ruolo dei globuli bianchi

2) I globuli bianchi (o leucociti): prodotti dal midollo osseo, svolgono funzione di difesa contro le infezioni. Hanno il nucleo ma sono prive di pigmenti e hanno forma irregolare (da 8 a 15 µm di diametro). Sono presenti 6500-7000 globuli bianchi per mm3. Ci sono diversi tipi di globuli bianchi: monociti, granulociti (neutrofili, eosinofili, basofili) e linfociti, tutti, linfociti esclusi che si occupano della risposta immunitaria, in grado di compiere la fagocitosi.

3) Le piastrine sono frammenti (da 2 a 4 µ) originatisi dalla disgregazione di cellule prodotte nel midollo osseo, i megacariociti): svolgono un ruolo nel processo di coagulazione. Sono presenti in numero di 50000 per mm3. Hanno vita breve (5-7 giorni) e migrano verso le parti lese dei vasi dove danno inizio ai coaguli gelatinosi semisolidi che arrestano le emorragie.

Processo di coagulazione

Il sangue ha la proprietà di coagulare, formando un ammasso semisolido, il coagulo che ostruisce l’uscita di sangue. Quando un vaso è leso le pareti attorno alla ferita si contraggono, riducendo il flusso di sangue verso di esso. La lesione attiva, con un meccanismo non del tutto chiarito, un gran numero di piastrinche che si rigonfiano, assumono forma irregolare e aderiscono alle cellule della parete formando un aggregato piastrinico. Queste liberano sostanze che danno inizio alla coagulazione (al quale partecipano non meno di 15 enzimi): l’attivatore della protrombina converte la protrombina, forma inattiva dell’enzima, in enzima trombina: essa coadiuvata da ioni Ca2++ converte il fibrinogeno il fibrina la quale si aggrega in molecole formando una rete che forma il coagulo. Questi coaguli sono rimossi tramite il sistema della fibrinolisi: una proteina ematica inattiva, il plasminogeno, è convertita in plasmina dalla attivatore del plasminogeno: essa interviene nella disgregazione della rete di fibrina, trasformata in sostanze inattive.

Struttura dei vasi sanguigni

Il sangue scorre nei vasi in un’unica direzione: dal cuore alle arterie, alle arteriole, ai capillari, alle venule, alle vene e al cuore. Il sistema vasale copre 100000 km. I vasi sono formati da tre tipi di tessuti: epiteliale, connettivo e muscolare liscio. Tutti i vasi hanno uno strato interno di tessuto epiteliale, l’endotelio, e differiscono tra loro per la quantità di tessuto connettivo e muscolare che lo circonda (la parete dei vasi più piccoli ha solo l’endotelio). I vasi che trasportano il sangue dal cuore verso la periferia sono le arterie le cui pareti sono formate da strati di tessuto connettivo ricco di fibre elastiche e tessuto muscolare liscio. Dal cuore il sangue è pompato in arterie che si ramificano in arteriole, in capillari arteriosi (distretto o letto capillare). In questo distretto hanno luogo gli scambi di materiali tra sangue e tessuti (grazie alla parete sottile, al numero alto di capillari, 7 miliardi, e alla lentezza di circolo del sangue, grazie a un’area di sezione alta). Nei capillari arteriosi l’ossigeno e le sostanze sono ceduti dal sangue ai tessuti passando tramite il liquido interstiziale mentre le sostanze di rifiuto e l’anidride entrano nei capillari: quando il flusso d’entrata supera quello d’uscita si parla di capillari venosi che confluiscono in venule e in vene (le cui pareti, analoghe a quelle arteriose per composizione, sono più sottili e dilatabili e oppongono scarsa resistenza al sangue e presentano valvole). Data la quantità di sangue fissa presente nel sangue, il flusso in una certa zona può aumentare solo diminuendolo nelle altre parti del corpo. Questo smistamento del sangue si ha grazie alla dilatazione delle arteriole negli organi più attivi e alla loro costrizione in quelli meno attivi.

Funzionamento del cuore

Il cuore è una porzione muscolare allargata della rete dei vasi sanguigni. La muscolatura cardiaca è unica per struttura e funzione e si contrae ritmicamente per tutta la vita. L’attività cardiaca segue un ciclo costituito da una contrazione (sistole) e da un rilassamento (diastole) in cui le cavità si dilatano e si riempiono di sangue. La tunica più esterna è formata dal pericardio, quella intermedia dalle cellule del miocardio che costituiscono il muscolo cardiaco, che sono in grado di contrarsi autonomamente senza essere stimolate dal sistema nervoso che ne regola però forza e frequenza. La tunica più interna è formata dal tessuto epiteliale, l’endotelio.

Ciclo cardiaco e valvole

Il cuore è formato da quattro cavità o camere: due atri e due ventricoli. Gli atri ricevono il sangue dalle vene e contraendosi lo spingono nei ventricoli che lo pompano nelle arterie. Il passaggio da un atrio al sottostante ventricolo è regolato da una valvola atrioventricolare, mentre quello da un ventricolo all’arteria da una valvola semilunare: esse si aprono e chiudono in risposta a differenze di pressione.

Circolazione polmonare e sistemica

Il cuore umano è diviso in due metà: quella destra (venosa) e quella sinistra (arteriosa). L’atrio e il ventricolo destro ricevano il sangue povero di ossigeno (usato dai tessuti per la respirazione) dalle regioni periferiche del corpo (polmoni esclusi) tramite la vena cava superiore (trasporta sangue dalla testa e dagli arti superiori) e quella inferiore (trasporta il sangue proveniente dal torace e dagli arti inferiori) e, quando l’atrio destro è pieno di sangue e la pressione atriale della valvola atrioventricolare tricuspide fa aprire la valvola stessa, esso pompa il sangue nel ventricolo sottostante che è in diastole: dopo essersi riempito si contrae (sistole ventricolare) spingendo il sangue nell’arteria polmonare, aprendo la valvola semilunare destra, polmonare (chiusa quando il ventricolo si rilassa), e chiudendo la tricuspide per impedire il riflusso del sangue nell’atrio. L’arteria polmonare si dirama subito in due arterie che trasportano il sangue verso la rete capillare di uno dei due polmoni. Il sangue ossigenato torna all’atrio sinistro del cuore tramite quattro vene polmonari. La circolazione dalla metà sinistra del cuore al resto del corpo e alla metà destra del cuore è detta circolazione sistemica (o grande circolo). Il sangue ossigenato è spinto dall’atrio sinistro nel ventricolo sinistro che si contrae spingendo il sangue nell’aorta, l’arteria più grande, che trasporta il sangue ovunque tranne che nei polmoni. Il riflusso è impedito dalla valvola bicuspide (o mitralica) e dalla semilunare sinistra (aortica). L’aorta forma un piccolo arto piegandosi verso l’alto e intorno al cuore e scorre verso il basso davanti alla colonna vertebrale, dove si ramifica formando diverse arterie, poi arteriole che portano il sangue ai capillari di tutti gli organi. Da questi il sangue povero d’ossigeno torna poi all’atrio destro tramite venule e vene. Le due metà pompano il sangue in due distinti circuiti che iniziano e terminano con il cuore senza mai incontrarsi. La circolazione del sangue della metà destra del cuore ai polmoni e da questi alla metà sinistra è la circolazione polmonare (o piccolo circolo). Il suono del cuore è dato dalla chiusura simultanea delle valvole a due a due: il primo suono è dato dalla contrazione delle valvole atrioventricolari (tricuspide e bicuspide), il secondo dalla chiusura delle due valvole semilunari (polmonare e aortica). Se le valvole non funzionano il cuore produce i soffi cardiaci, suoni anomali causati dal sangue che riaffluisce nella direzione sbagliata tramite la valvola mal funzionante: la conseguenza può essere il rinforzo dei muscoli ventricolari che lavorano di più, ma in persone anziane e deboli può portare al collasso cardiaco. Il cuore è irrorato da una propria rete di vasi sanguigni che inizia con le due arterie coronarie che scorrono esternamente al cuore e che si ramificano in capillari. Le coronarie sono le prime arterie che si diramano nell’aorta. L’infarto si verifica quando una coronaria non porta abbastanza sangue al cuore perché ostruita o lacerata.

Regolazione della frequenza cardiaca

Il volume di sangue espulso dal cuore in un minuto è detto gittata cardiaca: a riposo è di 5 litri al minuto ma può aumentare a 37 litri al minuto in attività fisiche. La gittata è data dalla frequenza cardiaca e dalla gittata pulsatoria (volume espulso dal ventricolo ad ogni contrazione, varia da 0,07 litri a 0,014 per contrazione). La frequenza cardiaca è misurata rilevando le contrazioni cardiache sotto forma di pulsazioni. La frequenza delle contrazioni dipende dalla necessità dell’organismo, varia da persona a persona, e aumenta con l’esercizio fisico o con stati emotivi particolari: normalmente in un adulto a riposo è di 50-80 battiti ma può raggiungere i 200. Il meccanismo di regolazione della frequenza è insito nel nodo seno atriale (peacemaker), una massa di cellule specializzate situate vicino all’atrio destro, che dà anche il via alla contrazione del cuore. Esso invia segnali elettrici che stimolano le cellule del muscolo a contrarsi: i segnali passano prima i due atri che si contraggono e arrivano al nodo atrioventricolare un massa analoga di cellule specializzate, situate alla base dell’atrio. Da qui i segnali si propagano attraverso il fascio di fibre di Hiss ai due ventricoli che si contraggono con un ritardo di 0.1 secondi. In caso di lesioni ai muscoli, il flusso elettrico è ritardato e si verificano blocchi cardiaci. La frequenza è influenzata anche dal sistema nervoso e dalle ghiandole surrelani (ghiandole endocrine situate sopra i reni). Un ammasso di neuroni situati nel midollo allungato del cervello chiamato centro cardiovascolare regola la frequenza in risposta a stimoli emotivi, fisici e variazioni di pressione. Il cuore è innervato da due terminazioni nervose involontarie e antagoniste: il nervo vago (sistema nervoso parasimpatico) che rallenta la frequenza cardiaca liberando il neurotrasmettitore acetilcolina e quello simpatico (sistema nervoso simpatico) che libera l’adrenalina (epinefrina) che accelera la frequenza, quando c’è esercizio fisico. L’adrenalina è prodotta oltre che dai neuroni anche dalle ghiandole surrenali (in questo caso raggiunge altre parti del corpo e scatena la reazione Fight or flight)ed è quindi sia neurotrasmettitore che ormone. Questa sostanza tramite il circolo arriva all’atrio destro dove provoca l’aumento della frequenza durante l’esercizio fisico o stress.

Pressione sanguigna e regolazione

La pressione sanguigna è la forza esercitata dal sangue sull’unità di superficie di un vaso. Essa non è uguale in tutto l’apparato e dipende dalla forza impressa dal cuore sul sangue, dall’elasticità delle pareti dei vasi e dalla velocità del flusso. La pressione si misura nell’arteria brachiale in mmHg: si rileva la pressione sistolica (massima durante contrazione ventricolo sx) e la diastolica (minima durante suo rilassamento). Per un uomo a riposo i valori sono: 120 e 80, per le donne 110-70. La pressione è massima all’uscita dal ventricolo sinistro e diminuisce costantemente con l’allontanarsi dal cuore. La diminuzione è dovuta a un aumento della resistenza periferica, legata alla riduzione del calibro dei vasi e dall’aumento dell’area complessiva da irrorare, il che aumenta l’attrito del sangue: grazie alla differenza di pressione tra arterie e capillari, il sangue si muove dalle arterie sino agli organi periferici. Grazie all’elasticità delle loro pareti le arterie sono equalizzatori di pressione: quando il ventricolo sinistro si contrae le fibre elastiche si allungano per consentire il transito di molto sangue, quando si rilassa le fibre tornano alla lunghezza originale. Quando il sangue raggiunge gli ultimi capillari la pressione è di circa 18 mmHg, e il flusso è lento per facilitare lo scambio di sostanze. Quando il sangue raggiunge le vene la sua pressione è bassa e non lo porterebbe al cuore: intervengono le valvole a coda di rondine. La compressione sulle vene è originata dalla contrazione dei muscoli scheletrici che la circondano e dai movimenti del torace durante la respirazione. Le valvole sono unidirezionali e sono forzate dal sangue compresso (vene varicose dipendono da malfunzionamento di queste valvole). Valori di pressione troppo alti cronicamente sono definiti ipertensione: essa è dovuta a un aumento della resistenza al flusso nella arteriole e può portare (diastolica > 115) a collassi cardiaci o renali. Può costituire inoltre fattore predisponente per l’arteriosclerosi. Essa può essere causata anche da stress prolungato, dall’uso di stimolanti come la nicotina, la caffeina, la cocaina e le anfetamine. Più spesso è dovuta al deposito di sostanze interne della arterie: in tal caso si parla di aterosclerosi.