Attività elettrica del cuore

Attività del cuore

Il cuore è un muscolo particolare per caratteristiche istologiche e per meccanismi che sono alla base dei cicli di contrazione e rilassamento. Il tessuto cardiaco è costituito anche dal tessuto nervoso che è necessario perché i muscoli (cardiaco, scheletrico e liscio) possono dare origine all’evento meccanico, cioè della contrazione e del rilassamento, se è presente un input nervoso. Quindi, nel muscolo scheletrico l’input nervoso, quindi l’eccitamento, avviene attraverso i motoneuroni alfa del sistema nervoso efferente. Mentre nel muscolo liscio l’input avviene attraverso il sistema nervoso autonomo e attraverso gli ormoni.

Il cuore rappresenta quell’organo, che per la presenza del tessuto nervoso autogenera gli input, quindi i potenziali d’azione. Infatti, nel caso del cuore si parla della presenza di cellule pacemaker, cioè di cellule che segnano il passo, delle cellule che da sole sono in grado di generare potenziali d’azione. Sono quelle cellule di cui noi possiamo contare i battiti. I battiti che noi contiamo non sono altro che potenziali d’azione. In un uomo sano di circa 70 kg i battiti cardiaci che avvengono in 1 minuto vanno da 67/68 a 72. Questo è il limite, al di sotto e al di sopra di questo valore si hanno i primi problemi cardiaci.

Cellule pacemaker e potenziali d’azione

Un primo gruppo di cellule pacemaker si trova all’imboccatura della vena cava superiore e dell’atrio destro. Questo raggruppamento di cellule pacemaker va sotto il nome di nodo seno atriale e rappresenta il pacemaker principale, cioè il gruppo di cellule segna passo principale così dette perché sono le cellule di origine nervosa in cui insorgono spontaneamente i potenziali d’azione i quali fungono da input per la contrazione dei cardiomiociti cardiaci, ossia delle fibrocellule muscolari cardiache.

Il cuore è costituito da fibrocellule muscolari cardiache (muscolo cardiaco) e dalle cellule di origine nervosa che sono le cellule del nodo seno atriale, le vie internodali, le cellule del nodo atrio ventricolare detto pacemaker secondario ed il fascio atrio ventricolare detto anche fascio di His con tutte le sue diramazioni fino alle cellule del Purkinje. Quindi, il nodo seno atriale è il pacemaker principale mentre il nodo atrioventricolare è il pacemaker secondario.

Il nodo seno atriale è il pacemaker primario perché pacemaker significa che le cellule sono in grado spontaneamente di generare potenziali d’azione mentre primario perché generano potenziali d’azione a più alta frequenza rispetto a quelle cellule del nodo atrio ventricolare che scaricano potenziali d’azione ma ad una frequenza inferiore. In particolare, le cellule pacemaker del nodo seno atriale hanno una frequenza che va da 67-68 a 72 battiti al minuto (frequenza di un individuo sano).

In caso di una patologia del nodo del seno atriale non moriamo subito, abbiamo un margine perché subentra il nodo atrio ventricolare costituito da cellule pacemaker secondarie in grado di generare potenziali d’azione spontaneamente, però ad una frequenza più bassa ovvero 45-46 battiti al minuto. Questo fin quando non ce ne accorgiamo ed interviene il cardiologo con il pacemaker artificiale.

Funzionamento del pacemaker secondario

In condizioni normali, il pacemaker secondario funziona? Le cellule del pacemaker secondario dell’atrio ventricolare scaricano potenziali d’azione? Sì, scaricano potenziali d’azione però è ovvio che questi potenziali d’azione avendo una frequenza più bassa di 45 battiti al minuto vengono sopraffatte da quelle del nodo principale. Però entrambe, in condizioni fisiologiche, funzionano.

La logica del funzionamento del nostro cuore è che le cellule pacemaker del nodo principale generano potenziali d’azione i quali vengono trasmessi alle fibrocellule muscolari scheletriche perché le cellule del nodo seno atriale sono sinciziate con quelle della muscolatura cardiaca per cui il potenziale d’azione che insorge va ad investire il sarcolemma delle fibrocellule muscolari cardiache che quindi vanno incontro a contrazione.

Potenziali d’azione nel cuore

Questi tre grafici sono i tre potenziali d’azione che sono stati riconosciuti a livello del cuore. Il grafico centrale è il potenziale d’azione che si registra a livello delle cellule pacemaker principale, quindi a livello delle cellule del nodo seno atriale. È il potenziale d’azione che insorge spontaneamente a livello di queste cellule. Quindi il potenziale d’azione del nodo seno atriale rappresenta l’input che fa insorgere il potenziale d’azione a livello dei cardiomiociti. Per cardiomiociti intendiamo le cellule muscolari cardiache.

Il potenziale d’azione che si registra a livello dei cardiomiociti ventricolari è quello riportato in alto. I cardiomiociti ventricolari sono le cellule muscolari cardiache che costituiscono il ventricolo. In basso invece è riportato il potenziale d’azione dei cardiomiociti atriali, cioè le cellule muscolari cardiache che costituiscono l’atrio. Quindi, a livello del nostro cuore sono presenti tre diversi potenziali d’azione e l’insieme di tutti e tre va sotto il nome di potenziali cardiaci.

Potenziale d’azione del nodo seno atriale

Il potenziale d’azione del nodo seno atriale ha un andamento che è diverso dal potenziale d’azione delle cellule nervose (neuroni). La prima differenza è la presenza della fase quattro che è una lenta depolarizzazione ed un’altra differenza, meno visibile, è la fase tre di ripolarizzazione in quanto è una fase che rispetto al potenziale d’azione di una cellula neuronale risulta essere leggermente più lenta.

La caratteristica più importante da un punto di vista del meccanismo del potenziale d’azione del nodo seno atriale è la fase quattro detta anche fase di pre-potenziale. Questa fase è la fase responsabile dell’autogenerarsi del potenziale d’azione a livello cardiaco, cioè è responsabile dell’automatismo cardiaco. Per automatismo cardiaco si intende la capacità del cuore di generare a sé stesso gli impulsi ai fini della contrazione, quindi è la capacità delle cellule pacemaker del cuore di autogenerare potenziali d’azione.

Il primo motivo dell’automatismo cardiaco è dato dal fatto che le cellule pacemaker non hanno un potenziale di membrana a riposo costante nel tempo ma il potenziale di membrana a riposo delle cellule pacemaker ha un valore intorno a -65 millivolt e non viene mantenuto costante nel tempo ma si registra una lenta depolarizzazione che consiste nell’ingresso del citoplasma di queste cellule di cariche positive. Queste cariche positive sono dovute all’ingresso di sodio attraverso dei canali particolari che troviamo solo a livello del cuore, cioè delle cellule pacemaker, detti canali funny.

Questi sono dei canali selettivi al sodio voltaggio-dipendenti ma sono diversi dai canali voltaggio-dipendenti a due porte di cui abbiamo parlato nel potenziale d’azione delle cellule neuronali. Sono diversi perché si aprono durante la fase di ripolarizzazione, quindi se dico che si aprono durante la fase di ripolarizzazione significa che si aprono non per un input di depolarizzazione.

Il potenziale di membrana è a -65 millivolt che è il potenziale di riposo e a questo valore i canali funny si aprono, quindi lasciano entrare sodio. L’ingresso di cariche positive provoca una lenta depolarizzazione perché la cinetica dei canali funny non è veloce come i canali a due porte. L’apertura di questi canali funny fa passare il potenziale di membrana via via in maniera lenta da -65 millivolt a circa -55 millivolt.

Quando il potenziale di membrana raggiunge il -55 millivolt si aprono i canali al calcio di tipo T che sono dei canali voltaggio-dipendenti indicati con T che sta per transient (transienti) così detti perché rimangono aperti per breve tempo. Però l’apertura di questi canali a calcio di tipo T fa entrare calcio, quindi cariche positive, che depolarizzano ulteriormente il potenziale di membrana da -55 millivolt a -50/-45 millivolt.

A -45 millivolt si chiudono i canali al calcio di tipo transient e si aprono i canali al calcio di tipo L che sta per long lasting, cioè sono dei canali al calcio che rimangono aperti per un tempo più lungo rispetto ai canali transient. Quindi l’ingresso massivo di calcio dà origine alla fase zero, cioè alla fase di rapida depolarizzazione. Per cui, nella fase zero il potenziale va da circa -45 millivolt a +10/+12 millivolt.

Quindi, la rapida depolarizzazione nel potenziale pacemaker del nodo seno atriale è data dai canali per il calcio di tipo L. Raggiunto l’overshift i canali al calcio long lasting si chiudono e si aprono i canali al potassio voltaggio-dipendenti, per cui il potassio fuoriesce dalla cellula e dà origine alla fase di ripolarizzazione descritta dalla fase tre, da +10/+12 millivolt a valori negativi, fino a quando non raggiunge il potenziale di membrana a riposo -65 millivolt. Però a -65 millivolt i canali funny si riaprono ed il ciclo ricomincia.

La caratteristica delle cellule pacemaker di autogenerare il potenziale d’azione dipende esclusivamente dalla presenza dei canali funny, quindi da quei canali che si aprono quando la membrana si sta ripolarizzando. Quindi i battiti che noi contiamo sono proprio le cellule del nodo seno atriale che da sole, senza input esterni, generano potenziali d’azione.

Questo potenziale d’azione che si è generato a livello del nodo seno atriale viene trasmesso alle cellule muscolari atriali in quanto abbiamo detto che le cellule pacemaker e i cardiomiociti atriali (cellule muscolari) sono sinciziate, ovvero formano un sincizio elettrico e funzionale. Quindi, il potenziale d’azione pacemaker a livello del sarcolemma dei cardiomiociti atriali genera un potenziale d’azione che è responsabile della depolarizzazione del sarcolemma dei cardiomiociti atriali e dunque della contrazione.

Potenziale d’azione dei cardiomiociti atriali

Il potenziale d’azione che si realizza a livello dei cardiomiociti atriali è quello riportato nel grafico C che ha un andamento diverso da quello delle cellule pacemaker del nodo seno atriale. Ciò significa che i canali che sono alla base di questo potenziale d’azione non sono gli stessi. Il potenziale di membrana a riposo dei cardiomiociti atriali conosce uno stato di riposo che è intorno a -90 millivolt.

Quindi, i cardiomiociti atriali ma anche ventricolari sono cellule muscolari, per cui hanno un potenziale di membrana a riposo che viene mantenuto costante fino a quando non arriva uno stimolo. Questo potenziale di membrana a riposo è di -90 millivolt. Nella fase zero osserviamo una rapida depolarizzazione con overshift fino a +18/+20 millivolt a cui segue la fase uno, cioè una parziale ripolarizzazione, una fase due detta fase di platò a cui segue la fase tre di rapida ripolarizzazione fino a raggiungimento e al mantenimento del potenziale di membrana a riposo di -90 millivolt.

A cosa sono dovute queste fasi? La fase zero è dovuta ai canali voltaggio-dipendenti per il sodio a due porte, quelli cioè che abbiamo trovato come funzionamento a livello dei neuroni. Quindi, l’apertura rapida dei canali al sodio voltaggio-dipendenti porta in maniera rapida il potenziale da -90 a +18/+20 millivolt. A questo punto i canali del sodio a due porta, una volta raggiunto l’overshift, si inattivano perché si chiude la porta di inattivazione.

Quindi, arrivati a +18/+20 millivolt il canale del sodio si inattiva, quindi il sodio non entra più in cellula, e si iniziano ad attivare i canali per il potassio. Per cui il potassio esce e si verifica nuovamente la prima fase di parziale ripolarizzazione. Quando il potenziale di membrana arriva, grazie all’apertura dei canali al potassio, intorno a valori di circa 0 millivolt, nelle cellule muscolari cardiache si aprono dei canali al calcio di tipo L.