Fisiologia 2 - Appunti

Proprietà generali del miocardio

Ultrastruttura del muscolo cardiaco

Nel cuore è possibile trovare tre tipi di tessuto: tessuto nodale, tessuto di conduzione e tessuto di lavoro. Le fibre cardiache di lavoro sono formate da più cellule, adese tra loro per mezzo di desmosomi, e divise da dischi intercalari, in cui sono presenti giunzioni comunicanti che permettono il rapido passaggio di ioni. Le giunzioni comunicanti, mettendo in diretto contatto il citoplasma delle cellule, permettono una rapidissima conduzione del potenziale di azione, in senso longitudinale lungo le fibre. È per questo motivo che il miocardio è considerato un sincizio funzionale.

Miocardio di conduzione

Nel cuore si trovano il nodo seno-atriale e il nodo atrio-ventricolare, capaci autonomamente di far battere il cuore, anche se espiantato. Dal nodo seno-atriale partono fasci di fibre che attraversano il cuore fino al nodo atrio-ventricolare, da dove partono altre fibre. Il nodo seno-atriale dà l’impulso iniziale, e dai fasci che da esso si dipartono, il segnale giunge sino al nodo atrio-ventricolare. Da quest’ultimo parte il fascio di His che poi si divide in branca destra e branca sinistra. Le due branche si estendono intorno ai ventricoli e prendono il nome di fibre del Purkinje. Il nodo atrio-ventricolare ha anche la funzione di rallentare la propagazione dell’impulso dall’atrio ai ventricoli, per permettere tempi di contrazione differenti. Il nodo atrio-ventricolare impedisce inoltre che si abbia una propagazione retrograda del segnale. Se il segnale che giunge dal nodo seno-atriale è troppo alto, il nodo atrio-ventricolare funge da blocco, e limita quindi l’eccessiva contrazione portata dal forte segnale proveniente dal nodo seno-atriale.

eccitabilità del miocardio di lavoro

Il potenziale di membrana a riposo delle fibrocellule miocardiche è compreso tra -85 mV e -95 mV, e può arrivare fino a +20 mV quando si è in presenza di potenziale d’azione. Questo significa che dal potenziale di riposo a quello di azione c’è una differenza di più di 105 mV. Osservando il profilo del potenziale d’azione di queste cellule, ci si accorge che l’iperpolarizzazione non è repentinamente seguita da ripolarizzazione, bensì esiste un plateau, che permette una contrazione del muscolo cardiaco più lunga nel tempo, fino a 15 volte di più delle fibre muscolari scheletriche.

I motivi del plateau e di un così lungo potenziale di azione sono fondamentalmente due. Nel muscolo miocardico il potenziale di azione è dovuto all’apertura di due tipi di canali: i canali rapidi per il sodio e i canali lenti per il calcio, anche noti come canali lenti calcio-sodio. Quest’ultima popolazione di canali ha la capacità di aprirsi lentamente e di rimanervi per un periodo piuttosto lungo (parecchi decimi di secondo e non millesimi di secondo come i canali rapidi per il sodio). In questo tempo una grande quantità di ioni calcio e sodio penetrano nelle cellule, provocando una forte depolarizzazione e spiegando in parte anche il fenomeno del plateau. Il secondo motivo in grado di spiegare il plateau, è il fatto che subito dopo l’instaurarsi del potenziale di azione, la permeabilità di membrana al potassio diminuisce di 5 volte rispetto alla condizione di riposo. Quando i canali calcio-sodio si chiudono, la permeabilità al potassio repentinamente aumenta e avviene la ripolarizzazione della membrana.

Accoppiamento eccitazione-contrazione: Ca²⁺

Quando si parla di eccitazione-contrazione si fa riferimento al fatto che il potenziale di azione è in grado di provocare la contrazione delle miofibrille presenti nelle fibre muscolari. Un potenziale di azione che percorre la membrana di una cellula miocardica, penetra verso l’interno della cellula attraverso dei tubuli trasversi a T. Poi il potenziale di azione va ad interessare le membrane dei, nel sarcoplasma, dai tubuli sarcoplasmatici longitudinali, che provocano la liberazione di Ca²⁺ dal reticolo sarcoplasmatico. Così in pochi millesimi di secondo il calcio diffonde nelle microfibrille e catalizza le reazioni che inducono lo scivolamento dei filamenti di actina e miosina, che danno come risultante la contrazione. Molto importante ai fini della contrazione è il legame Ca²⁺ troponina. Il potenziale di azione non provoca solo il rilascio di calcio dal reticolo sarcoplasmatico, ma anche dai tubuli a T, che sono in comunicazione diretta con l’esterno delle fibre miocardiche. Quindi la forza di contrazione del miocardio dipende dalla concentrazione di Ca²⁺ extracellulare. Quando la fase di plateau finisce, il flusso di calcio verso l’interno della cellula si riduce rapidamente e il calcio presente nel sarcoplasma viene ripompato nel reticolo sarcoplasmatico e nei tubuli a T. Cessa, in questo modo, anche la contrazione.

Refrattarietà del miocardio

Come accade anche per altri tessuti, il miocardio se riceve uno stimolo durante il potenziale di azione non si eccita. Questo fenomeno è noto come periodo refrattario. È possibile distinguere un periodo refrattario assoluto, durante il quale qualsiasi sia lo stimolo che la cellula riceve essa non si eccita, ed un periodo refrattario relativo, nel corso del quale uno stimolo oltre un determinato valore è in grado di generare un nuovo potenziale di azione.

Osservando il profilo del potenziale di azione delle cellule miocardiche si nota che esse hanno un lungo periodo refrattario (0.25-0.3 secondi nel miocardio ventricolare) lungo quasi quanto il potenziale di azione, e quanto la durata della contrazione. Questo fatto è di fondamentale importanza in quanto impedisce che le cellule miocardiche possano rimanere contratte sotto una stimolazione continua (fenomeno noto come “tetano” che avviene regolarmente nel muscolo striato, e che permette contrazione prolungata nel tempo).

Autoeccitazione delle fibre del nodo S-A

Per comprendere il meccanismo dell’autoeccitazione del nodo seno-atriale è utile ricordare i canali ionici presenti nel tessuto cardiaco. Nel miocardio troviamo canali rapidi per il sodio, canali lenti calcio-sodio, canali del potassio. Il potenziale di membrana a riposo delle cellule nodali è di circa -55, -60 mV, e a questo valore di negatività i canali rapidi per il sodio sono bloccati. Ovvero se il potenziale di membrana a riposo permane per più di qualche millisecondo a valori meno negativi di -60 mV, i canali rapidi per il sodio si bloccano. Questo significa che la genesi dell’autoeccitazione è dovuta ai canali lenti calcio-sodio, e per questo motivo il potenziale di azione viene raggiunto più lentamente e scompare anche più lentamente, che nel miocardio ventricolare.

Data l’alta concentrazione di sodio nel liquido extracellulare e la bassa negatività delle cellule nodali, lo ione sodio inizia lentamente ad entrare nella cellula. Questo lento ingresso di sodio provoca un graduale innalzamento del potenziale di membrana. Giunti al “valore soglia” di -40 mV, si aprono i canali transienti del Ca²⁺. Giunti al valore soglia si aprono i canali del calcio long lasting. Arrivati ad un potenziale di membrana di +10 mV, i canali del calcio tendono a chiudersi. Quindi in buona sostanza è la scarsa capacità di membrana di trattenere il sodio, che causa l’autoeccitazione del nodo seno-atriale. Dopo circa 100-150 millisecondi dall’apertura dei canali calcio-sodio essi vengono inattivati o si chiudono, e si aprono i canali per il potassio, che fuoriuscendo provoca il fenomeno della iperpolarizzazione, e il potenziale di membrana viene riportato a quello di riposo di -55, -60 mV.

Motivi della conduzione lenta del segnale

Il sistema di conduzione del segnale, dal nodo seno-atriale al nodo atrio-ventricolare, ivi compreso il medesimo, è strutturato in maniera tale che vi sia un ritardo nella trasmissione dell’impulso, tale da permettere il completo riempimento ventricolare prima della contrazione dello stesso. Le fibre che collegano il nodo seno-atriale al nodo atrio-ventricolare, ovvero le fibre transizionali nodali e quelle penetranti atrio-ventricolari, hanno uno spessore minore delle fibre miocardiche atriali. Inoltre il valore molto meno negativo del potenziale di membrana, e le poche giunzioni comunicanti, delle cellule che formano la via di conduzione del segnale, costituiscono una forte resistenza al movimento degli ioni, e quindi infine rallentano la trasmissione del segnale.

Il nodo S-A come pacemaker cardiaco

Sia le cellule del nodo atrio-ventricolare che quelle delle fibre del Purkinje sono in grado di autoeccitarsi, ma in genere vengono eccitate dallo stimolo proveniente dal nodo seno-atriale. Questo perché il nodo seno-atriale ha una frequenza di scarica di 70-80/min, contro i 40-60/min del nodo atrio-ventricolare e dei 15-40/min delle fibre del Purkinje, entrambe se non stimolate esternamente. In pratica il nodo seno-atriale si eccita, e l’impulso viene trasmesso al nodo atrio-ventricolare e alle fibre del Purkinje. Poi tutte contemporaneamente entrano nella fase di depolarizzazione, ma il nodo seno-atriale esce da questa fase più velocemente, e dà una nuova scarica, prima che il nodo atrio-ventricolare e le fibre del Purkinje possano autoeccitarsi. In conclusione, siccome il nodo seno-atriale guida il battito cardiaco, esso è definito pacemaker cardiaco.

La funzione meccanica del cuore

Ciclo cardiaco

Il ciclo cardiaco dura in media meno di 1 secondo (0.8 secondi). La diastole è la fase di riempimento e dura i 2/3 del ciclo cardiaco. L’apertura e la chiusura delle valvole cardiache è funzione del gradiente di pressione presente tra le camere che dividono. Tra gli atrii, le vene cave e le quattro polmonari, non ci sono valvole, perché la variazione di pressione degli atrii sono basse nell’ambito del ciclo cardiaco. Nei ventricoli la pressione varia da 0-120 mmHg nel ventricolo sinistro, e da 0-20 mmHg nel ventricolo destro.

Nella fase di diastole, la pressione nei ventricoli è zero, e negli atrii arriva a 6-7 mmHg, perciò le valvole atrio-ventricolari si aprono. Il sangue passa quindi nei ventricoli e si ha la fase di riempimento rapido. Ora si ha la sistole atriale che spinge il sangue non ancora passato nei ventricoli. (Poiché la maggior parte del sangue fluisce dagli atrii ai ventricoli senza bisogno di contrazione atriale, è possibile vivere anche se affetti da fibrillazione atriale). La pressione nei ventricoli arriva a 6-7-10 mmHg e si chiudono le valvole atrio-ventricolari. Per far aprire le valvole semilunari, soprattutto quella aortica, occorre una pressione piuttosto alta (almeno 80 mmHg nel ventricolo sinistro, 20 mmHg nel ventricolo destro).

La sistole ventricolare è divisa in due fasi: sistole isovolumetrica (i ventricoli si contraggono, ma le valvole sono tutte chiuse. Le fibre muscolari si tendono ma senza accorciarsi. Ciò fa aumentare la pressione); sistole isotonica (le fibre si accorciano, le valvole semilunari si aprono, e il sangue viene spinto fuori). Nella diastole isovolumetrica la pressione cade a zero nei ventricoli. Poi il sangue entra nei ventricoli, le fibre si allungano, e si parla di diastole isotonica.

Cenni sull'elettrocardiogramma

L’elettrocardiogramma è una metodica di analisi utilizzata per valutare la funzionalità cardiaca, tramite la registrazione di impulsi elettrici provenienti dal cuore. Un tipico tracciato dell’elettrocardiogramma è il seguente. L’onda P corrisponde alla iniziale depolarizzazione del nodo seno-atriale. L’intera onda P indica la contrazione degli atrii. La contrazione ventricolare corrisponde all’onda Q-R-S. La depolarizzazione avviene dal basso verso l’alto, e quindi anche la contrazione parte dal basso per proseguire verso l’alto. La ripolarizzazione dei ventricoli è registrata dall’onda T, ovvero alla diastole ventricolare. La ripolarizzazione degli atrii non è rilevabile, in quanto è coperta dal complesso Q-R-S.

Legge di Frank-Starling

La regolazione della frequenza e della forza di contrazione è determinata da un sistema intrinseco, dal sistema nervoso e dagli ormoni (come l’adrenalina secreta dalla midollare del surrene). Indipendentemente dagli ormoni e dal sistema nervoso, il cuore è capace di modificare la frequenza e la forza di contrazione (questo è chiamato sistema intrinseco). Frank e Starling isolarono il cuore dal corpo di un animale, ma lo continuarono a perfondere, recidendo le connessioni nervose, ma mantenendo le connessioni venose. L’esperimento consisteva nel modificare la pressione e quindi la quantità di sangue che giungeva al cuore. Quando la pressione del sangue aumentava, il cuore rispondeva aumentando frequenza e forza di contrazione. In pratica Frank e Starling videro che il cuore rispondeva ad una modifica del ritorno venoso, che è praticamente quello che accade quando si fa attività fisica. La spiegazione di questo fenomeno è che quando il muscolo cardiaco viene allungato, esso si contrae con maggiore forza, sia perché le fibre di actina e miosina si interdigitano in maniera migliore, sia perché si aprono i canali del calcio meccanicamente attivati.

Azione dell'ortosimpatico

L’innervazione ortosimpatica raggiunge il miocardio in numerosi punti, sia a livello nodale che a livello di tessuto miocardico di lavoro. La stimolazione ortosimpatica del cuore determina un aumento della frequenza di scarica del nodo seno-atriale, un aumento della frequenza cardiaca (effetto cronotropo positivo), un aumento della velocità di conduzione atrio-ventricolare (effetto dromotropo positivo), e anche un aumento della forza di contrazione del miocardio atriale e ventricolare (effetto inotropo positivo). Dalla terminazione dei nervi ortosimpatici si libera noradrenalina, il cui meccanismo di azione non è ancora del tutto noto. Comunque si pensa che essa favorisca l’ingresso del calcio e del sodio, aumentando la permeabilità di membrana a questi ioni. Tutto ciò permette un più rapido raggiungimento del potenziale di azione, e inoltre spiega anche la maggiore forza di contrazione, dovuta appunto all’ingente ingresso di Ca²⁺ nella cellula. In conclusione la stimolazione ortosimpatica, può quasi triplicare la frequenza cardiaca e quasi raddoppiare la forza di contrazione, in caso di stimolazione massimale. La noradrenalina giunge sui recettori β adrenergici, come pure l’adrenalina secreta dalla midollare del surrene. Il legame con i recettori adrenergici, per via del secondo messaggero cAMP, determina la fosforilazione del fosfolambano, che capta il calcio e lo ripompa nel reticolo sarcoplasmatico, prevenendo un accumulo di calcio intracellulare, che sarebbe estremamente dannoso.

Azione del parasimpatico

L’innervazione parasimpatica per mezzo del nervo vago, giunge solo ai nodi seno-atriale e atrio-ventricolare, e non coinvolge l’intero miocardio come avviene per l’ortosimpatico. Dalle terminazioni vagali si libera acetilcolina, che diminuisce la frequenza di scarica del nodo seno-atriale e l’eccitabilità delle fibre giunzionali con il nodo atrio-ventricolare (effetto dromotropo negativo). Una minima stimolazione vagale riesce a dimezzare la frequenza cardiaca (effetto cronotropo negativo), mentre una stimolazione più forte può addirittura bloccare la scarica del nodo seno-atriale, e in entrambi i casi il segnale non viene più trasmesso ai ventricoli, che cessano di battere per 5-20 secondi. Dopo di ché da qualche porzione delle fibre del Purkinje si sviluppa un proprio ritmo, con una frequenza di 15-40/min. Questo fenomeno è noto come “fuga ventricolare dal vago”. L’acetilcolina aumenta la permeabilità della membrana al potassio, cosicché tale ione fuoriesce più facilmente dalla cellula aumentando la negatività del potenziale di membrana. Questa iperpolarizzazione causa un più lento raggiungimento del valore soglia e quindi del potenziale di azione. Se l’iperpolarizzazione diventa troppo spinta, il raggiungimento del valore soglia diventa impossibile e non si origina l’autoeccitazione.

Apparato circolatorio e vasi sanguigni

Caratteristiche dei vasi sanguigni

I vasi sanguigni presenti nel nostro organismo hanno il compito di distribuire il sangue in maniera efficiente all’intero corpo, permettendo a tutti i tessuti di esplicare le loro funzioni. Uscendo dal cuore troviamo le arterie, le arteriole e i capillari; poi il sangue per ritornare al cuore prosegue nelle venule e nelle vene. La caratteristica di tutte le arterie è una grossa elasticità, e ciò è importante, perché quando il sangue esce dai ventricoli, le arterie corrispondenti devono distendersi. La distensione è importante per il mantenimento di un flusso sanguigno continuo, e non intermittente come è invece il battito cardiaco. L’onda sfigmica, dovuta al ritorno elastico della parete delle arterie, può essere rilevata ad esempio al polso, ed è importante affinché il flusso sanguigno sia continuo e il sangue giunga a tutte le estremità corporee. Quando il ventricolo pompa sangue, esercita una certa pressione, e se l’arteria diminuisce la sua elasticità (ad esempio per anzianità), il ventricolo si trova a pompare sangue verso una parete più dura, e per spingere lo stesso quantitativo di sangue deve esercitare una pressione più alta. A lungo andare questo può causare problemi cardiovascolari.