Fisiologia

Introduzione alla fisiologia

La fisiologia è la scienza che studia le funzioni del nostro organismo; quindi, studia il funzionamento di un tessuto, di un organo, di un apparato e il modo in cui si svolgono i vari processi. Prima di andare a descrivere i vari fenomeni che avvengono all'interno del nostro organismo dobbiamo definire cos'è uno stato basale. Lo stato basale è quello stato energetico minimo che ci serve per far funzionare il sistema. Ma dobbiamo anche dire che ogni funzione fisiologica richiede coordinamento di molte funzioni, per esempio, in cui i nostri muscoli scheletrici devono coordinarsi, ma anche la temperatura per esempio.

Questo è dovuto dal fatto che il nostro corpo umano ha la capacità di autoequilibrarsi mediante l'omeostasi. Un fenomeno che permette di equilibrare le condizioni interne del nostro organismo con le condizioni esterne. La condizione interna viene definita equilibrio dinamico in cui esiste un certo punto fisso per una data variabile in cui le condizioni possono oscillare leggermente attorno a questo punto.

Il meccanismo che mantiene una variabile vicino al suo punto fisso è il feedback negativo, un processo che si attiva non appena si percepisce un cambiamento. Per esempio, la temperatura corporea è regolata dall'ipotalamo, in una situazione di agitazione le cellule, che costituiscono l'ipotalamo, scatenano un meccanismo di perdita di calore, uno di questi è la vasodilatazione in cui il sangue scorre più vicino alla superficie e quindi si perde calore; se questo non è sufficiente si va incontro a sudorazione. Se la condizione dovesse essere al contrario, nel senso che la nostra temperatura corporea scende sotto i 37 °C, queste cellule attivano il meccanismo di conservazione del calore mediante la vasocostrizione, se non dovesse essere sufficiente vengono attivati i brividi, ovvero dei tremori muscolari che generano calore.

Se il feedback negativo va nella direzione opposta di una data variabile, il feedback positivo amplifica il cambiamento fisiologico. Spesso è un fenomeno normale per esempio durante il parto, quando la testa del bambino spinge sulla cervice uterina stimola le terminazioni nervose, questi segnali stimolano l'ipofisi che secerne l'ossitocina e questo una volta rilasciato nel sangue va a stimolare la contrazione uterina. Questo fenomeno può risultare anche dannoso perché può così tanto allontanarsi dal punto fisso che va a destabilizzare l'omeostasi.

Quindi possiamo dire che il circolo a feedback è costituito da un recettore che percepisce il cambiamento del corpo, da un centro di controllo che processa l'informazione e da un effettore che può essere una cellula o un organo che va ad eseguire il fenomeno.

Trasporti transmembranali

A livello delle membrane cellulari ci sono dei canali, ovvero delle proteine che possono essere delle vere e proprie aperture sulla membrana oppure possono lavorare in una maniera più complicata come i carrier, canali o pompe. Le molecole si spostano da un lato di membrana all'altro mediante un sistema di trasporto, che può essere:

• Trasporto passivo → In cui le molecole si spostano secondo gradiente di concentrazione (da più a meno) chimica o elettrica di una sostanza e non si ha dispendio di energia. A loro volta si possono distinguere processi di trasporto che avvengono per diffusione semplice, cioè senza l'aiuto di proteine trasportatrici (ossigeno-anidride), oppure per diffusione facilitata che però richiede l'intervento di vettori, ovvero una specifica proteina di trasporto (carrier) o di un canale.
• Trasporto attivo → Le molecole si spostano contro gradiente di concentrazione (da meno a più) e quindi hanno bisogno di energia metabolica. In questo caso possiamo parlare del trasporto attivo primario in cui la proteina di membrana utilizza direttamente l'energia metabolica fornita dall'idrolisi dell'ATP, queste proteine prendono il nome di pompe, sono simili ai carrier ma hanno bisogno di energia per funzionare.

Tuttavia, dobbiamo distinguere delle differenze tra i canali e i carrier.

• Carrier → Sono delle proteine trasportatrici che trasportano un determinato tipo di molecole. Il loro funzionamento consiste nell'andare ad inglobare al loro interno la molecola, cambiare la propria conformazione per poi aprirsi all'interno della cellula e rilasciare la molecola. (diffusione lenta e uniporto).
• Canali → Sono proteine canali che formano dei pori attraverso la membrana consentendo il passaggio di ioni della dimensione e carica appropriata. In base alla loro modalità di attivazione i canali si suddividono in 3 categorie:

• Canali voltaggio dipendenti → La cui probabilità di apertura dipende strettamente dal potenziale elettrico della membrana. Il cambiamento di conformazione del canale da chiuso ad aperto è dovuto allo spostamento di cariche elettriche.
• Canali attivati dai ligandi → La cui probabilità di apertura e chiusura è determinata dall'azione di particolari molecole messaggere che agiscono extracellularmente (neurotrasmettitori).
• Canali attivati da secondi messaggeri → La cui probabilità di apertura è condizionata dalla presenza nel liquido intracellulare di ioni e molecole comunemente indicati come secondi messaggeri intracellulari come Ca²⁺, ATP.

Per quanto riguarda le pompe possiamo fare riferimento alla pompa sodio-potassio, ha il compito di generare un gradiente di ioni in quanto spinge continuamente ioni sodio fuori dalla cellula e ioni potassio dentro la cellula sfruttando energia. Ogni molecola di ATP che si rompe si spostano 3 molecole di sodio fuori dalla cellula e 2 di potassio dentro.

Cuore

Il cuore è un muscolo involontario costituito da muscolatura striata ma si comporta funzionalmente come se fosse costituito da muscolatura liscia. È un organo in grado di ridimensionarsi, perché se il nostro organismo andrà a richiedere un aumento di sangue il cuore dovrà soddisfare la richiesta. Un’altra caratteristica di questo organo è che non va incontro a sommazione, nel senso che o si contrae o non si contrae. Le cellule di questa muscolatura prendono il nome di cellule miocardiche, che sono delle vere e proprie cellule contrattili. Queste cellule sono serrate tra di loro grazie alla presenza dei desmosomi che permettono in comunicazione il citoplasma delle varie cellule.

Questo comando di contrazione parte da zone specifiche dette zone pacemaker. Il pacemaker, come dice la parola stessa, è un generatore di passi, perché è colui che decide quante volte il cuore deve contrarsi in un minuto; il nostro cuore ne presenta 3:

• Pacemaker primario o nodo senoatriale (corrispondenza atrio destro ma sulla vena cava)
• Pacemaker secondario o nodo atrioventricolare
• Pacemaker terziario

Ovviamente non funzionano tutti e tre insieme, sarà solo il primo a far partire la contrazione, se questo non dovesse più funzionare allora saranno i pacemaker successivi a generare la contrazione. I pacemaker sono formati da un tessuto muscolare che presenta dei canali particolari, ovvero i canali funny, sono dei canali sempre aperti che permettono la continua entrata di ioni sodio che depolarizzano la membrana, il potenziale di membrana raggiunge il valore soglia e quindi parte il potenziale d'azione.

Questo potenziale per propagarsi segue una via. Per prima cosa parte dal pacemaker primario, passa dalle vie internodali (il PA dalla parte posteriore del cuore va nella parte interiore), che sono 3: anteriore, medio e posteriore, dalla via internodale media ha origine un altro fascio che prende il nome di fascio di Bachmann che porta l'impulso all'atrio sinistro. Successivamente, il PA arriva al pacemaker secondario che dà origine al fascio di His che si dirama in branca Dx e branca Sx e infine avremo le fibre del Purkinje. Quindi potremmo dire che la contrazione sarà dal basso verso l'alto dato che l'apertura delle grandi arterie si trova nella parte superiore del cuore. Ogni pacemaker ha una frequenza spontanea di generazione del potenziale d'azione, per cui sarà la frequenza stessa a decidere chi deve essere inattivo o attivo, cioè la frequenza più alta inattiva il pacemaker con la frequenza più bassa. Quindi, se il primo pacemaker ha una frequenza di 100 impulsi al minuto i pacemaker successivi saranno inattivi perché hanno una frequenza di 60 e 40 impulsi al minuto.

ECG

L'attività elettrica può essere rappresentata come un vettore che viene guardato da diverse angolazioni. È un test che ci permette di rilevare la conduzione elettrica del cuore utilizzando uno strumento chiamato elettrocardiografo, al quale sono legati degli elettrodi, che amplifica questi segnali producendo così l'Elettrocardiogramma. Un ECG è una registrazione che rappresenta la composizione di tutti i potenziali d'azione prodotti dalle cellule nodali e miocardiche. Per registrare un ECG, gli elettrodi vengono posizionati ai polsi, alle caviglie e in 6 localizzazioni a livello toracico.

I quattro elettrodi presenti a livello degli arti vengono posizionati seguendo la parola GIRONEVE, in quanto l'elettrodo giallo viene posizionato nel polso sinistro, l'elettrodo rosso nel polso destro, l'elettrodo nero nella caviglia destra e l'elettrodo verde nella caviglia sinistra. Il principio fisiologico su cui si basa l’elettrocardiogramma è il triangolo di Einthoven. Per poterlo descrivere innanzitutto dobbiamo considerare un uomo con le braccia stese e si individua un triangolo equilatero. Da ciò otteniamo le derivazioni bipolari e le derivazioni monopolari, le prime sono le derivazioni classiche dell'elettrocardiogramma descritti da Einthoven, registrano la differenza di potenziale tra due elettrodi situati in diversi arti. Sono 3:

• D1: Differenza di potenziale tra braccio destro e sinistro. (D2+D3)
• D2: Differenza di potenziale tra braccio destro e gamba sinistra. (D3+D1)
• D3: Differenza di potenziale tra braccio sinistro e gamba sinistra. (D1+D2)

Le derivazioni unipolari degli arti registrano la differenza di potenziale tra un punto teorico e il centro del triangolo di Einthoven, sono anche esse 3:

• aVR: Potenziale assoluto del braccio destro.
• aVL: Potenziale assoluto del braccio sinistro.
• aVF: Potenziale assoluto della gamba sinistra.

Infine, abbiamo le derivazioni precordiali dell'elettrocardiogramma sono 6, sono derivazioni monopolari, registrano il potenziale assoluto del punto in cui è collocato l’elettrodo (elettrodi pericardici), quindi ricaviamo le attività elettriche nei diversi tre assi di riferimento X, Y e Z.

Deflessioni dell'ECG

L’ECG presenta tre principali deflessioni al di sopra e al di sotto della linea di base:

• Onda P (depolarizzazione atri) → Viene prodotta quando il potenziale elettrico, proveniente dal nodo senoatriale (pacemaker primario), si diffonde attraverso gli atri e li depolarizza (dal potenziale di riposo verso valori più positivi). La sistole atriale comincia circa 100 millisecondi dopo l'inizio dell'onda P, durante il segmento PR. Questo segmento è lungo circa 160 millisecondi e rappresenta il tempo richiesto perché l'impulso percorra la distanza compresa tra il nodo senoatriale e il nodo atrioventricolare. L'intervallo PR (o PQ) esprime l'intervallo di tempo che intercorre tra l'inizio dell'attivazione degli atri e l'inizio dell'attivazione dei ventricoli (è il tempo che passa dall’inizio della contrazione dell’atrio e l’inizio della contrazione del ventricolo).
• Complesso QRS (depolarizzazione ventricoli) → Consiste di una lieve deflessione verso il basso (Q), un altro picco netto (R) e una deflessione finale verso il basso (S). Viene prodotto quando il segnale proveniente dal nodo atrioventricolare si diffonde attraverso il miocardio ventricolare e depolarizza la muscolatura. La sistole ventricolare inizia poco dopo il complesso QRS, a livello del segmento ST. La ripolarizzazione e la diastole atriali si verificano anche esse durante l'intervallo QRS.
• Onda T → È generata dalla ripolarizzazione ventricolare immediatamente prima della diastole. I ventricoli richiedono un tempo maggiore per ripolarizzarsi rispetto a quanto ne richiedono per depolarizzarsi; l'onda T è perciò più piccola e più larga del complesso QRS, può essere riconosciuta per il suo picco relativamente rotondeggiante.

Frequenza cardiaca

La frequenza cardiaca è il numero di battiti effettuati dal cuore in un minuto. Anche se il cuore si contrae in maniera dinamica la sua frequenza può variare, per esempio se stiamo facendo attività fisica, il nostro organismo andrà a richiedere al cuore un aumento della gittata cardiaca, per cui il nostro cuore andrà a garantire questa richiesta aumentando la frequenza cardiaca. Studi composti su popolazioni molto ampie hanno dimostrato che la massima frequenza che può raggiungere il cuore di una persona sana è pari a 220 meno l’età, ovviamente è un calcolo statistico dove ci rientra una grande parte della popolazione.

La frequenza cardiaca cambia rapidamente grazie alla presenza dei canali funny, questi canali non hanno permeabilità costante, tant'è che la loro permeabilità può essere modulata, se si regola la permeabilità rendendola più alta (entrano ioni sodio), il tempo che intercorre a raggiungere il valore soglia si riduce, quindi gli eventi di potenziali elettrici, che partono dal nodo del seno, diventano più frequenti. Se invece si riduce la permeabilità il tempo per raggiungere il valore soglia aumenta e quindi la frequenza rallenta. Questi cambi di permeabilità sono dovuti dalla presenza del sistema nervoso autonomo che nella sua branca simpatica aumenta la frequenza, e nella branca parasimpatica rallenta la frequenza. Intervengono, anche, delle sostanze chimiche, per esempio l’adrenalina. Un grosso stimolo di tipo ormonale che interviene quando il soggetto è in condizioni di stress, anche in questo caso si regolano le permeabilità di canale che permettono una corretta gestione delle frequenze. In qualsiasi condizione in cui il nostro corpo si viene a trovare, sia operativa o no, le condizioni sia di frequenza (numero di potenziali che partono dal pacemaker), ma anche la forza di contrazione del cuore sono quelle ottimali, cioè quella che soddisfa le richieste.

Diagramma di Wiggers

Il diagramma di Wiggers è uno schema che permette di comprendere ciò che accade nelle camere cardiache di sinistra dal punto di vista elettrico, pressorio, meccanico e rileva i toni di Korotkoff. Ovviamente questo grafico vale in condizioni di riposo. Partiamo dal punto 0 che corrisponde all'onda P, quest'onda precede la contrazione atriale e va a determinare l'inizio del riempimento passivo di sangue del ventricolo e l’aumento del suo volume, difatti il ventricolo presenterà il suo volume telediastolico di 135 ml solo dopo 100 ms in corrispondenza del punto R andando a determinare anche la chiusura della valvola mitrale e definendo quindi il primo tono di Korotkoff S1.

Successivamente ci sarà l'inizio della contrazione ventricolare isovolumetrica in cui il ventricolo inizia a contrarsi aumentando la sua pressione interna ma ancora non sarà in grado di aprire la valvola semilunare aortica perché non ha raggiunto la pressione minima aortica. A 120 ms circa, inizierà la contrazione ventricolare in cui ci sarà l'apertura della valvola aortica e la fuoriuscita di sangue andando a determinare quasi tutto il tratto ST. Non tutto il sangue presente nel ventricolo è stato espulso; infatti, dei 135 ml solo 70 ml sono stati espulsi; infatti, 65 ml rimangono all'interno del ventricolo. A 350 ms la pressione ventricolare comincia a diminuire andando a determinare la chiusura della valvola aortica e da ciò determineremo il secondo tono cardiaco S2. Ricomincerà il ciclo con l’aumento della pressione atriale, che poi successivamente andrà a determinare l'apertura della valvola mitrale, e il riempimento di sangue dei ventricoli.

Potenziale d'azione e riposo cardiaco

Come ben sappiamo il cuore è costituito da tessuto muscolare striato ma si comporta come se fosse un muscolo liscio. Importante è ricordare che il cuore non va incontro a sommazione perché esso eroga la forza o non la eroga, ma bisogna stare attenti anche sui tempi perché la genesi della forza deve seguire le tempistiche precise, nel momento adatto. Dobbiamo iniziare dal potenziale di riposo, dovuto dal fatto che la differenza di potenziale ai due lati della membrana dei cardiomiociti è di -90 mV. Questo potenziale è mantenuto dalla pompa Na⁺/K⁺, la quale ad ogni ciclo utilizza l'energia per espellere 3 ioni Na⁺ per fare introdurre 2 ioni K⁺ nella cellula, l'apertura dei canali sodio favorisce l’entrata di tale ione nella cellula secondo gradiente elettrochimico andando a determinare una positivizzazione del potenziale di membrana, mentre, l'apertura dei canali potassio determina l'uscita dello ione, sempre secondo gradiente, andando a causare una negativizzazione del potenziale di membrana. Da ricordare che tutte le cellule eccitabili sono provviste, ai lati della membrana, da pompe Na⁺/K⁺.

Le fasi del potenziale d'azione dei cardiomiociti è composta da 5 fasi. La prima fase prende il nome di fase 0 che consiste nella depolarizzazione rapida. Dunque, la stimolazione elettrica della membrana cellulare determ...