Cuore, Fisiologia umana

Il cuore

Cuore è un organo costituito principalmente da tessuto muscolare (miocardio). La sua attività meccanica è sostenuta dalla propagazione di un potenziale d'azione sia nel tessuto muscolare, che costituisce un sincizio funzionale con continuità elettrica attraverso gap junction (punti di bassa resistenza) tra una cellula e l’altra, sia attraverso un sistema di cellule specializzate (sistema di conduzione) che sono simili ai miocardiociti ma povere di materiale contrattile.

Il miocardio aspecifico ha come compito lo sviluppo della tensione. Il miocardio specifico presiede alla generazione del battito cardiaco; è caratterizzato dalla autoeccitabilità, non è necessaria l’innervazione (l’innervazione modula ma non genera l’eccitazione). Il processo di attivazione della muscolatura cardiaca ha origine nelle cellule del nodo del seno, che grazie all’espressione di canali della corrente pacemaker, si depolarizzano a riposo fino a raggiungere la soglia di scarica del potenziale d'azione e scaricano quindi automaticamente e ritmicamente. L’impulso viene poi rallentato in una regione di tessuto specializzato di conduzione lenta (nodo atrio ventricolare): questo permette al ventricolo di riempirsi mentre l’atrio termina di contrarsi.

L’impulso prosegue nel fascio atrio-ventricolare di His e nelle fibre del Purkinje, così anche il ventricolo si contrae e si svuota. Se una sola cellula cardiaca viene eccitata, si ha la contrazione di tutto il cuore (legge del “tutto o nulla”).

Sistema di conduzione del cuore

• Nodo seno atriale (NSA): le cellule hanno marcata attività pacemaker e dettano il ritmo di contrazione cardiaca.
• Tessuto di conduzione atriale: aiuta la propagazione rapida dell’impulso al miocardio atriale e lo conduce al NAV.
• Nodo atrio ventricolare (NAV): caratterizzato dalla propagazione molto lenta dell’impulso, che raggiunge il ventricolo dopo un significativo ritardo, e le cui cellule possiedono attività di pacemaker per cui se manca l’impulso dal NSA, è in grado di mantenere una contrazione ritmica ed efficace del ventricolo.
• Fascio di His: attraversa il setto atrioventricolare, si sdoppia nelle 2 branche e si sfiocca nelle cellule di Purkinje caratterizzate da scarsa attività pacemaker e rapida velocità di propagazione. Il sistema di conduzione permette di diffondere efficacemente l’impulso a tutto il miocardio.

Meccanismi attivi dell'omeostasi ionica in un miocardiocita

• Canale ionico del K+: diffusione passiva.
• Diffusione passiva di Na+: trascurabile.
• Pompa Na+/K+: crea una corrente di Na+ (3 Na+ fuori e 2 K+ dentro la cellula), con effetto iperpolarizzante.

Omeostasi del Ca++

(Alto in sistole):

• Canali del calcio di tipo L.
• Pompa del Ca++ ATPasi, calmodulina dipendente: sfrutta l’energia fornita dall’idrolisi di 1 ATP per portare il Ca++ fuori dalla cellula. È attivata dal complesso Ca-calmodulina.
• Scambiatore Na+/Ca++ (NCX): porta 1 ione di Ca++ fuori dalla cellula scambiandolo con 3 ioni di Na+.
• Pompa del Ca++ del reticolo sarcoplasmatico (SERCA): sequestra il Ca++ all’interno del reticolo sarcoplasmatico e di altri organelli citoplasmatici. 2 ioni Ca++ per ogni ATP idrolizzato.

Il Na+ e il Ca++ sono legati in rapporto grazie lo scambiatore: Ogni variazione della [Na+]i è associata a un notevole incremento della [Ca++]i. Per questo la digitale che si lega al posto di K+ e inibisce la pompa Na+/K+, aumenta la [Na]i e dunque 3 volte la [Ca]i con il risultato di aumentare la contrattilità del cuore.

Origine del potenziale di membrana

PM= -85/90 mV, determinato dal potenziale diffusione del K+ (scarso contributo del Na+) e dalla pompa Na/K+. La conduttanza per il K+ mostra rettificazione interna: la resistenza del canale è maggiore per la corrente in uscita che per quella in entrata. Pertanto al salire del potenziale si limita la perdita di K+ dalla cellula. È un canale aperto a riposo, mentre la rettificazione interna al salire del potenziale inibisce la fuoriuscita di K+ e così facilita la depolarizzazione. Inoltre grazie alla limitazione della corrente in uscita, a seguito dell’entrata di Ca++ nella cellula, si instaura più facilmente il plateau. La rettificazione dipende da sostanze che sembra facciano da tappo al canale (poliamine e Mg++). Per tornare alla fase di riposo, il K+ perso è recuperato dalla pompa Na/K e si ripristinano i gradienti. Grazie alla rettificazione interna e alla pompa Na/K si evita di perder troppo potassio nel lungo potenziale d'azione. Quando [K+] è > 8mE/l, l’eccitabilità diminuisce e il cuore si arresta.

Il potenziale d'azione del cuore dura 300 msec mentre per una cellula nervosa solo 1 msec: la forza del gradiente chimico ed elettrico spinge il K+ fuori dalla cellula. La pompa Na/K+ aumenta il suo ciclo di attività e ristabilizza i gradienti dopo ogni potenziale d'azione altrimenti dopo un po’ il gradiente si scaricherebbe. Il potenziale d'azione presenta una forma diversa nei diversi tipi di cellule miocardiche.

Fasi del potenziale d'azione cardiaco

Il potenziale d'azione cardiaco ha una durata di circa 300-500 ms, molto più lungo di quello del muscolo scheletrico e comparabile con la durata dell’attività meccanica.

• Fase 0 (depolarizzazione rapida): rapida ascesa (PM passa da -90 a +20 mV circa) sostenuta da un’intensa corrente di Na+ verso l’interno, determinata dall’apertura dei canali del Na+ volt dipendenti. È autolimitante per via della rapida inattivazione dei canali stessi. Risulta evidente solo nelle cellule cardiache che esprimono significativi livelli di conduttanza del Na+ (cellule veloci).
• Fase 1 (ripolarizzazione parziale precoce): determinata dalla concomitante inattivazione dei canali del Na+ e attivazione di quelli del K+ (corrente transitoria uscente di K+). Inoltre in alcune cellule aumenta la permeabilità al Cl- (entra nella cellula). Queste correnti del K e del Cl sono transitorie perché si aprono e si inattivano rapidamente.
• Fase 2 (plateau): determinata dall’attivazione di conduttanze del Ca++ volt dipendente (corrente lenta verso l’interno, a lenta inattivazione) controbilanciata dall’attivazione pure lenta di conduttanze del K+ volt dipendenti (corrente rettificatrice interna, il K+ esce anche se in maniera ridotta): equilibrio