Appunti fisiologia, seconda parte

Fattori determinanti il volume di scarica sistolica (VSS)

Pre-carico → vigore della contrazione determinato dalla lunghezza iniziale delle fibre muscolari cardiache (somma tensione attiva + passiva);

Post-carico → a riposo circa 90, in allenamento il punto B aumenta, e il cuore deve lavorare di più;

Attivazione simpatica e messa in circolo di adrenaline e noradrenaline.

Grafici della contrazione isometrica

Questi grafici mostrano la contrazione isometrica di fibrocellule muscolari cardiache isolate. In blu è rappresentata la curva lunghezza-tensione passiva, che descrive le tensioni passivamente sviluppate dal preparato muscolare “striato”, o “pre-caricato”, alle diverse lunghezze L1, L2 e L3. Se a ciascuna delle lunghezze precedenti si stimola massimalmente il muscolo, si ottengono valori di tensione superiori ai precedenti (T1, T2 e T3) che forniranno la curva lunghezza-tensione isometrica massima in rosso. Lmax indica la lunghezza alla quale si ottiene il massimo sviluppo di tensione attiva.

• A L1 c’è una certa tensione attiva;
• A L2 viene allungata la fibra, si sviluppa più tensione attiva e poca tensione passiva, perché il muscolo vuole tornare a L1;
• A L3 viene allungata ulteriormente la fibra, si sviluppa meno tensione attiva e più tensione passiva.

A L2 troviamo la Lmax (lunghezza ottimale), perché c’è la miglior sovrapposizione tra actina e miosina; a L3 ho la tensione isometrica massima, perché è data da tensione passiva + tensione attiva e a L3 c’è molta più tensione passiva rispetto a L2. Maggiore è il volume telediastolico ventricolare (pre-carico), maggiore tensione isometrica massima viene erogata.

Contrazione del muscolo

Il muscolo si contrae accorciandosi, ma sviluppando sempre la stessa tensione. Poiché al muscolo è stato imposto un carico prima di farlo contrarre, la contrazione inizia da una condizione di pre-carico (volume telediastolico ventricolare). Se, immediatamente dopo l’inizio della contrazione pre-caricata, è imposto un ulteriore carico, la contrazione sarà ancora isotonica, ma contro il nuovo carico (post-carico, pressioni diastoliche dell’aorta e dell’arteria polmonare).

Controllo della frequenza cardiaca (FC o HR)

Il cuore batte ritmicamente a una frequenza di 100 battiti/min in completa assenza di qualsiasi stimolo nervoso ed ormonale al nodo SA: questa è la frequenza intrinseca del nodo SA. La frequenza può comunque essere maggiore o minore di questo valore perché il nodo SA è normalmente sotto l’influenza tonica di neurotrasmettitori e ormoni.

• L’attività dei neuroni parasimpatici causa una diminuzione della FC (azione cronotropa negativa);
• L’attività dei neuroni simpatici causa un aumento di FC (azione cronotropa positiva).

Tono cardiaco

Tono cardiaco → impulsi eccitatori / impulsi inibitori. A riposo il tono simpatico prevale sul tono parasimpatico, così la frequenza cardiaca media a riposo è di circa 70/75 battiti al minuto. Dal grafico osserviamo che l’attività simpatica e quella parasimpatica influenzano la funzione del nodo SA:

• La stimolazione simpatica aumenta la pendenza della fase di depolarizzazione pacemaker, aumentando la probabilità di apertura dei canali di tipo F; ne consegue che una maggiore quantità di Na+ entra nella cellula, e quindi la depolarizzazione è più rapida, con raggiungimento della soglia più veloce e un aumento della FC;
• La stimolazione parasimpatica ha effetti opposti: la pendenza della depolarizzazione pacemaker diminuisce a causa di una riduzione della corrente in entrata; la soglia viene quindi raggiunta in ritardo, rallentando la FC. Un forte stimolo parasimpatico ha anche l’effetto di iperpolarizzare il potenziale delle cellule del nodo SA aumentando la permeabilità al K+.

Il potenziale pacemaker quindi da un valore più negativo (più vicino al potenziale di equilibrio del K+) e raggiunge la soglia più lentamente. Ci sono altri fattori diversi dall’innervazione che possono influenzare la FC. L'adrenalina, il principale ormone secreto dalla midollare del surrene, accelera il cuore agendo sugli stessi recettori beta-adrenergici nelle cellule del nodo SA a cui si lega la noradrenalina rilasciata dai neuroni simpatici. Altri fattori sono i cambiamenti della temperatura corporea e delle concentrazioni elettriche.

Controllo della gittata sistolica (GS) (o volume di scarica sistolica)

La seconda variabile che determina la gittata cardiaca è la gittata sistolica: il volume di sangue che ogni ventricolo espelle ad ogni contrazione. I cambiamenti di forza durante l’eiezione sono causati principalmente da:

• Cambiamenti nel volume telediastolico (pre-carico) (riempimento effettivo);
• Cambiamenti nel post-carico (pressione arteriosa media) (svuotamento effettivo);
• Cambiamenti nell’intensità di stimolazione dei ventricoli da parte del sistema nervoso simpatico.

La legge del cuore [Frank Starling]

Il ventricolo si contrae con maggiore forza durante la sistole se è stato riempito maggiormente durante la diastole. L’allenamento del volume ventricolare telediastolico (pre-carico) (ritorno venoso al cuore, riempimento ventricolare) aumenta la gittata sistolica. Questa legge si rifà alla curva tensione-lunghezza delle fibrocellule miocardiche, ma ha validità fino a un certo punto. Oltre un certo volume telediastolico la gittata sistolica diminuisce in quanto il ventricolo è dilatato. Questa curva rappresenta la legge del cuore, la relazione tra il volume telediastolico ventricolare e la gittata sistolica.

L’ascissa rappresenta la lunghezza sarcomerica e l’ordinata rappresenta la forza di contrazione. Un paragone tra la lunghezza-tensione nel muscolo scheletrico e in quello cardiaco rivela che c’è un’importante differenza: in un soggetto a riposo, la lunghezza del muscolo cardiaco non è la lunghezza ottimale per la contrazione, così come per la maggior parte dei muscoli scheletrici a riposo, ma è nella fase crescente della curva. Per questa ragione, un maggior riempimento provoca una maggiore distensione delle fibre muscolari cardiache e un aumento della forza di contrazione.

Significato della legge del cuore

Ad ogni data frequenza cardiaca, un aumento del ritorno venoso (il flusso di sangue dalle vene al cuore) automaticamente causa un aumento nella gittata cardiaca aumentando il volume telediastolico, e quindi la gittata sistolica. Una sua funzione molto importante è quella di mantenere uguale la gittata sistolica del ventricolo destro e sinistro, per assicurarsi che il sangue non si accumuli nel sistema polmonare. La stimolazione simpatica aumenta la contrattilità del muscolo ventricolare. Per ogni dato volume telediastolico, il volume sistolico è aumentato; a) sia la velocità di sviluppo di forza sia la velocità di rilassamento aumentano, così come la b) massima forza sviluppata.

Il neurotrasmettitore simpatico noradrenalina agisce sui recettori beta-adrenergici per aumentare la contrattilità ventricolare, definita come la forza di contrazione a ogni dato volume telediastolico. Anche l’adrenalina plasmatica ha gli stessi effetti, quindi l’aumentata forza di contrazione che deriva dalla stimolazione simpatica, o dall’adrenalina circolante, è indipendente dai cambiamenti del volume telediastolico ventricolare. Un aumento del volume telediastolico che porta ad un cambiamento nella forza di contrazione (legge del cuore) non riflette un aumento della contrattilità, in quanto questo ultimo è definito come un aumento della forza di contrazione a un dato volume telediastolico.

La distinzione tra il meccanismo di Frank-Starling è la stimolazione simpatica è illustrata nel grafico precedente: la curva verde della legge del cuore è la stessa, la curva rossa deriva dallo stesso cuore durante la stimolazione simpatica: durante la stimolazione nervosa la gittata sistolica è maggiore a ogni dato volume telediastolico. Quindi, l’aumentata contrattilità comporta un’eiezione più completa del volume di sangue telediastolico. Un modo di quantificare la contrattilità è attraverso la frazione di eiezione (FE), definita come il rapporto tra la gittata sistolica (GS o VSS) e il volume telediastolico (EDV o VTD).

FE = GS / EDV. In media è tra il 50% e il 75% di un cuore sano a riposo. L’aumento di contrattilità causa un aumento della frazione di eiezione. Il grafico precedente mostra un aumento della velocità di contrazione e del rilassamento ventricolare causato dall’aumento del tono simpatico, che causa anche un aumento della frequenza cardiaca. Con l’aumento di essa, il tempo a disposizione per il riempimento diastolico diminuisce, ma una contrazione e un rilassamento più rapidi (causati dalla contemporanea attivazione simpatica) in parte compensano questo problema.

Recettori beta-adrenergici

I recettori beta-adrenergici ricevono la noradrenalina (NA) e l’adrenalina, e attivano la via di trasduzione del segnale accoppiata alle proteine G, che si conclude con la produzione di cAMP e l’attivazione di una proteinchinasi. Varie proteine coinvolte nell’accoppiamento eccitazione-contrazione sono fosforilate dalla chinasi, che ne altera l’attività. Queste proteine includono:

• I canali del Ca2+ di tipo L sulla membrana plasmatica;
• I recettori rianodinici e le proteine associate ad essi sulla membrana del reticolo sarcoplasmatico;
• Le proteine dei filamenti sottili, in particolare la troponina;
• Le proteine dei filamenti spessi associate ai ponti trasversi;
• Le proteine coinvolte nella ri-captazione del Ca2+ nel reticolo sarcoplasmatico.

A causa di queste alterazioni, la concentrazione citosolica del Ca2+ aumenta più rapidamente e raggiunge valori maggiori durante l’eccitazione, il Ca2+ ritorna ai suoi valori di pre-eccitazione più velocemente ed il ciclo di formazione e distaccamento dei ponti trasversi è accelerato. Tutto questo porta ad una contrazione più veloce e più forte durante l’attivazione simpatica del cuore.

Effetti del sistema nervoso autonomo sulla funzione cardiaca

• Nel nodo SA (area influenzata) aumenta la FC con l’innervazione simpatica e diminuisce la FC con l’innervazione parasimpatica;
• Nel nodo AV (area influenzata) aumenta la velocità di conduzione con l’innervazione simpatica e diminuisce la velocità di conduzione con l’innervazione parasimpatica;
• Nel muscolo atriale (area influenzata) aumenta la contrattilità con l’innervazione simpatica e diminuisce la contrattilità con l’innervazione parasimpatica;
• Nel muscolo ventricolare (area influenzata) aumenta la contrattilità con l’innervazione simpatica e diminuisce la contrattilità con l’innervazione parasimpatica.

Per innervazione simpatica si intende la noradrenalina sui recettori beta-adrenergici; per innervazione parasimpatica si intende l’acetilcolina sui recettori muscarinici.

Aumento del post-carico

Un aumento della pressione arteriosa tende a ridurre la gittata sistolica. Questo avviene perché la pressione arteriosa costituisce il post-carico contro cui il ventricolo deve lavorare quando espelle il sangue, come per un muscolo scheletrico che solleva un peso. Maggiore è questo peso (carico), meno le fibre possono accorciarsi per una data contrattilità. Infatti, la necessità di sviluppare una tensione isometrica maggiore prima di iniziare la contrazione isotonica fa sì che la curva di tensione isometrica massima limiti l’accorciamento del muscolo. L’aumento del post-carico determina quindi una diminuzione del volume di eiezione.

La noradrenalina ha l’effetto di spostare verso l’alto la curva di funzione ventricolare. Ne deriva la possibilità di un maggior accorciamento delle fibrocellule ventricolari, con aumento della gittata sistolica (anche quando vi è un aumento del post-carico). L’aumento della contrattilità indotto dalla noradrenalina consente anche di aumentare la gittata sistolica a parità di precarico. Per effetto della legge del cuore, lo stesso risultato si ottiene, a parità di contrattilità, aumentando il pre-carico.

L’aumento del post-carico:

• Aumenta la tensione isovolumetrica;
• Diminuisce l’accorciamento (scarica sistolica) → diminuisce eiezione;

L’adrenalina aumenta la contrattilità, di conseguenza:

• Il cuore produce più forza;
• C’è più accorciamento nella fase isotonica.

Da ricordare che la noradrenalina non ha effetti sulla tensione passiva.

• Effetto cronotropo positivo: aumenta la frequenza di scarica;
• Effetto ionotropo positivo: aumenta la vigorosità.

Senza noradrenalina:

• Aumento del precarico → aumenta la scarica sistolica;
• Aumento del post-carico → diminuisce la scarica sistolica.

L’immissione di adrenalina e noradrenalina permette alle fibre di accorciarsi anche in aumento di post-carico. La fibra è limitata nella sua capacità di sviluppare la tensione isometrica massima!

Determinanti della gittata cardiaca a riposo (GC o Q°)

Regolazione del volume di scarica sistolica (VSS)

GC = VSS x FC

GS = EDV – ESV

Il VSS è regolato da tre variabili:

• Volume telediastolico (EDV, pre-carico) (riempimento effettivo);
• Pressione arteriosa media (MAP, post-carico) (svuotamento effettivo);
• Forza di contrazione ventricolare (svuotamento effettivo).

Volume telediastolico ventricolare (EDV) o pre-carico

Importante perché:

• Determina le possibilità di massimo volume di scarica;
• Implica il meccanismo di Frank-Starling;
• Dipende dal ritorno venoso.

Il sangue eiettato dal ventricolo sinistro va nell’arteria aorta, che possiede una pressione molto alta, mentre nell’atrio è pari a zero. Questa variazione di pressione fa viaggiare il sangue.

Legge di Poiseuille

Usata per descrivere un flusso di sangue in un vaso sanguigno, mette in relazione:

• Flusso;
• Pressione;
• Resistenza.

Il flusso sanguigno è direttamente proporzionale alla pressione ed inversamente proporzionale alla resistenza.

Q° = (DELTA P / R)

Ritorno venoso

Il ritorno venoso è il flusso retrogrado che riporta il sangue al cuore. In condizione di riposo, il ritorno venoso deve essere uguale alla gittata cardiaca, perché il sistema cardiocircolatorio è un circuito chiuso, onde evitare accumuli di sangue nella circolazione sistemica o nella circolazione polmonare, equilibrate dal meccanismo di Frank-Starling. Il ritorno venoso al cuore dal letto vascolare venoso è determinato da un gradiente di pressione (pressione venosa – pressione atriale destra) e dalle resistenze venose: una diminuzione della pressione atriale destra o delle resistenze venose porta ad un aumento del ritorno venoso.

Fattori che influenzano il ritorno venoso

• Pompa muscolare: la contrazione ritmica dei muscoli degli arti, come avviene durante la normale attività motoria favorisce il ritorno venoso;
• Pompa respiratoria: l’inspirazione diminuisce la pressione toracica e aumenta la pressione addominale (compressione degli organi addominali attraverso il diaframma). Questo crea un gradiente pressorio nella vena cava inferiore, aspirando il sangue verso l’atrio destro e aumentando il ritorno venoso;
• Venocostrizione: l’attivazione simpatica delle vene diminuisce la capacitanza venosa (capacità venosa di dilatarsi elasticamente sotto l’effetto di una pressione sanguigna crescente, per poi restringersi restituendo il volume di sangue accumulato sotto l’effetto di una pressione sanguigna decrescente), aumenta il tono venoso e la pressione venosa centrale e favorisce il ritorno venoso indirettamente aumentando la gittata cardiaca attraverso il meccanismo di Frank-Starling;
• Gravità;
• Azione di pompaggio del cuore.

Il ritorno venoso determina il volume telediastolico ventricolare (pre-carico). Le resistenze sono:

• Basse nelle vene;
• Alte nelle arterie;
• Massime nelle arteriole e venule (chiamate infatti vasi di resistenza).

Il sangue ha un rapporto di 20:1 tra vene e arterie! Quasi tutto il sangue in circolazione è nelle vene.

Il sistema vascolare

Il sistema vascolare ha la funzione principale della regolazione della pressione e della distribuzione del sangue ai vari tessuti. Le caratteristiche strutturali dei vasi sanguigni cambiano man mano che essi si ramificano. L’intero sistema circolatorio, dal cuore al più piccolo capillare, ha tuttavia una componente strutturale in comune: un singolo strato liscio di cellule endoteliali (endotelio), che è in contatto con il sangue che fluisce.

Funzioni dell'endotelio

• Funzione barriera: una membrana semi-permeabile che controlla il passaggio di sostanze dal liquido extracellulare al circolo sanguigno e viceversa;
• Regolazione della coagulazione e della fluidità ematica;
• Controllo dell’adesione e infiltrazione dei leucociti;
• Modulazione del tono, permeabilità e struttura vasale;
• Angiogenesi (formazione di nuovi vasi sanguigni);
• Ossidazione delle LDL.

L’endotelio produce mediatori chimici distinguibili in vasodilatatori e vasocostrittori. I vasi che trasportano il sangue dal cuore alla periferia sono detti arterie, mentre il ritorno al muscolo...