Fisiologia

Fisiologia dell'apparato cardiovascolare

L'apparato cardiovascolare è costituito dal cuore e dai vasi e ha il compito di trasportare ossigeno e nutrienti ai tessuti, mentre li libera dalle sostanze di scarto.

Il circolo sanguigno

N.B.: Tonache intima (1 strato di cellule endoteliali; in tutte), media→Grande (fibre elastiche o muscolari) ed avventizia (tessuto fibroso) in quantità variabili.

Piccolo circolo/circolo sistemico

Formato da arterie, arteriole, capillari, venule e vene, diverse per funzione e struttura:

• Inizia dal ventricolo destro
• Arterie: vasi dotati di molte fibre elastiche (che in età avanzata si irrigidiscono portando all'arteriosclerosi)
• Arteriole: più piccole e con molta muscolatura liscia per favorire la contrazione ed il rilassamento, sono considerate vasi di resistenza (più la contrazione è forte più si ha resistenza al flusso)
• Capillari: vasi di scambio costituiti solo da tonaca intima e membrana fenestrata. Fa passare sostanze (O₂, CO₂, glucosio, ioni, H₂O) dal lato arteriolare al venulare. (Quasi tutta l'H₂O che entra nel vaso poi esce; quella che rimane è portata via dal sistema linfatico; l'Edema è l'accumulo di acqua nei tessuti. Il contrario è la Disidratazione).
• Vene: la tonaca media è costituita da cellule muscolari lisce elastiche ed hanno un calibro maggiore, perché riportano il sangue al cuore; sono detti vasi di capacitanza in quanto possono accumulare sangue, ma delle valvole ne impediscono il reflusso (patologia: varici/vene varicose).

Il sangue

Plasma: rappresenta il 55% del volume totale; è costituito da H₂O e proteine (albumina dal fegato, globuline dal sistema immunitario, proteine della coagulazione in/estrinseca, transferrina, ceruloplasmine per il rame…), elettroliti (Na²⁺ - catione extracellulare - K⁺, Cl^-, bicarbonato), glucosio, colesterolo e lipoproteine.

(Nel plasma è per esempio presente il sistema tampone del bicarbonato – base – e CO₂ – acido – detto sistema fosfato).

Elementi corpuscolati

Eritrociti: globuli rossi, il cui strato è detto ematocrito (45%; indica la capacità di trasportare O₂. Se è alto il cuore fa più fatica, ma arriva più O₂ ai muscoli). Sono costituiti da emoglobina (in quantità più elevata nell'uomo e formata da 2 catene α e 2 β + 4 gruppi proteici contenenti Fe²⁺ ferroso (il Fe³⁺ ossidato non si lega e l'emoglobina diventa metaglobina). Sono 5 milioni/mm³; vengono prodotti nel midollo osseo delle ossa piatte (scapola, cranio, sterno, bacino, coste) e degradati nella milza (emocateresi dopo 120 giorni di vita, bilirubina va al fegato).

Leucociti: globuli bianchi/buffy coat. Insieme alle piastrine rappresentano meno dell'1% del Volume (sono 6-7000/mm³). Sono di diversi tipi e si distinguono grazie alla Forma Leucocitaria (neutrofili – molti durante l'infezione -, linfociti, basofili, eosinofili – allergie -, monociti – differenziano in macrofagi).

Piastrine: 150-350000/mm³; utili nel processo di coagulazione vasocostrizione – spasmo arteriolare; attivazione delle piastrine da parte del tessuto lesionato, che formano agglomerati e rilasciano fattori; cascata di coagulazione attivata dai fattori piastrinici, in cui il tappo piastrinico è consolidato per esempio dal fibrinogeno (dal fegato, diventa fibrina per proteolisi); coagulo rimosso poi da fattori del plasma = fibrinolisi.

Il cuore

N.B.: esistono 3 tipi di muscoli: cardiaco (striato involontario; controllato dal SNC, ma si contrae anche senza l'impulso), muscolare (striato volontario, controllato dal SNC e si muove solo a seguito di un impulso), liscio (involontario, controllato dal SNC, ma si contrae comunque).

Il cuore è costituito da 2 atri e 2 ventricoli e dal pericardio (tessuto fibroso di rivestimento).

Valvole

• Tra atrio destro e ventricolo destro = tricuspide
• Tra atrio sinistro e ventricolo sinistro (più spesso del destro perché pompa il sangue all'aorta) = bicuspide/mitrale
• Tra ventricolo sinistro ed aorta = aortica semilunare
• Tra ventricolo destro ed arterie polmonari = polmonare

Miocardio di lavoro (muscolo simile allo scheletrico), tessuto di conduzione (conduzione segnali elettrici) e sistema di eccitamento (formato dai pacemaker/segnapasso) sono componenti chiave.

In particolare, i pacemaker generano impulsi che attivano il miocardio di lavoro e sono tre: il 1° è il nodo senoatriale (tra l'atrio destro e lo sbocco delle vene cave; 60-100 b.m., ritmo normale), il 2° è l'atrioventricolare (tra atri e ventricoli più spostato verso destra; 45-55 b.m., ritmo nodale) e il 3° è il fascio di His (setto interventricolare; si divide poi in 2 branche e nelle fibre del Purkinje; 25-40 b.m., ritmo idioventricolare con possibile vita senza sforzi e necessità di inserzione di un pacemaker artificiale).

I tre pacemaker generano impulsi a diversa frequenza, ma in genere comanda quello a frequenza maggiore, ovvero il nodo senoatriale, che genera il RITMO SINUSALE. Ne esistono tuttavia 3 come protezione dell'organismo a seguito dell'evoluzione: se uno non funziona, quello subito dopo prende il sopravvento. A 15-20 b.m. avviene il blocco atrioventricolare, in cui si interrompe la comunicazione.

Automatismo/cronotropismo/ritmicità è la capacità di alcune cellule di generare impulsi in grado di attivare il miocardio di lavoro. Nel cuore dei mammiferi venne scoperto grazie all'esperimento delle Legature di Stannius sul cuore di rana (costituito da un seno, 2 atri e un ventricolo) anch'esso avente 3 pacemaker (posizionò dei lacci a diversi livelli e osservò che la parte del cuore sotto la legatura batteva ancora, ma a frequenza più bassa. N.b.: il mammifero muore con doppia legatura – nsa + nav – per strozzatura delle coronarie). Automaticità e la ritmicità consentono al cuore di battere anche fuori dal corpo.

Potenziale di membrana e d’azione

Su una fibra del miocardio di lavoro è possibile posizionare due elettrodi per studiarne la differenza di potenziale tra esterno ed interno della cellula tramite ad un galvanometro (potenziale di membrana a riposo; l'interno è ricco di cariche negative e l'esterno di positive), pari a -70mV. Questa polarizzazione iniziale è la condizione necessaria per la propagazione di un potenziale d'azione.

Il potenziale di membrana a riposo è causato dalla diversa distribuzione di ioni tra interno ed esterno e dalla diversa permeabilità di membrana. Gli ioni in questione sono il Na⁺ ed il K⁺:

• Il potenziale del K⁺ in eq (tende ad uscire perché è molto presente dentro) = -90mV nel caso in cui la cellula sia permeabile solo al K⁺
• Il potenziale del Na⁺ in eq (tende ad entrare perché è molto presente fuori) = +60mV nel caso di unicità di permeabilità per il Na⁺ (n.b.: entra per gradiente di concentrazione squilibrio di cariche uscita per gradiente elettrico)

La cellula è però permeabile ad entrambi gli ioni, ma di più al K⁺ (ioni più piccoli e canali più aperti) → pot = -70mV (se fosse unicamente permeabile sarebbe = -15).

Per mantenere il potenziale d'azione e la distribuzione di ioni corretta, la cellula si serve della Na⁺K⁺ATPasi, una pompa proteica nella membrana basolaterale della fibra (se il potenziale è all'eq =0 morte per mancanza di risposta agli stimoli).

Potenziale a riposo

Il potenziale a riposo però può anche cambiare e generare così un potenziale d'azione, ovvero un evento di breve durata in cui il potenziale a riposo aumenta e poi torna più o meno velocemente a livello basale.

Cellule pacemaker: a riposo -65mV depolarizzazione spontanea, verso il valore meno negativo (pot di pacemaker/segnapasso, qui si interviene per aumentare la frequenza cardiaca) arrivando a -55mV, ovvero il valore soglia per l'apertura dei canali del Ca²⁺, che tende ad uscire superamento val 0 → chiusura canali Ca²⁺ ed apertura canali K⁺ per la ripolarizzazione.

Il 2° e il 3° pacemaker hanno fasi di depolarizzazione spontanea più lenta e quindi una minore pendenza del grafico.

Cellule del miocardio di lavoro: potenziale a riposo di -80mV. Il potenziale d'azione di durata 300 millisecondi viene generato solo a seguito di un impulso elettrico da parte delle cellule pacemaker. Depolarizzazione per apertura dei canali ionici voltaggio dipendenti del Na⁺ (bloccabili dalla tetrodotossina del pesce palla o da farmaci per le aritmie) ed il valore sale fino a 30mV (eccedenza/overshoot/a getto; fase 0). Non arriva ai potenziali 60mV perché i canali del Na⁺ tendono a chiudersi man mano che il valore diventa positivo ed in più i canali K⁺ contrastano in quanto sono aperti al massimo; fase 1) ripolarizzazione plateau (il K⁺ esce ed il Ca²⁺ entra; fase 2). Questa fase allunga il potenziale d'azione; si pensi che il potenziale di una fibra nervosa è solo 1 millisecondo i canali Ca²⁺ si chiudono rapidamente e solo il K⁺ esce (fase 3) = ripolarizzazione (+corrente del K⁺ 2 = prima sarà la ripolarizzazione). Per generare un nuovo potenziale è necessario che si rigeneri la situazione iniziale.

In questo caso svolge una funzione importante la pompa Na⁺K⁺ATPasi, che porta 3 ioni Na⁺ fuori e 2K⁺ dentro per ritornare alla situazione iniziale e ricominciare.

Se il cuore non riceve abbastanza apporto di sangue, il K⁺ interstiziale aumenta per perdita dalle cellule perfuse in modo insufficiente (ischemia). Inoltre, a differenza del muscolo scheletrico, in cui le contrazioni si possono sommare (i potenziali d'azione arrivano uno dopo l'altro e durano 1 millisecondo), nel muscolo cardiaco non è possibile la somma delle contrazioni perché la cellula non può generare due potenziali insieme (il cuore non può essere tetanizzato; Periodo Refrattario). Nella prima parte il periodo refrattario è assoluto (eccitabilità=0, la cellula non risponde ad ulteriori stimoli); nell'ultimo terzo ha un minimo di refrattarietà.

Disturbi del ritmo cardiaco

Alcuni pazienti mostrano depolarizzazioni premature che, se si verificano precocemente nel corso del periodo refrattario relativo, la conduzione dell'impulso è più lenta; è dunque possibile che si manifesti il rientro che, se irregolare porta a fibrillazione.

Dromotropismo/conduttività è quindi la capacità del cuore di trasmettere un potenziale d'azione in tutte le sue parti: nodo senoatriale (0.05 m/s) muscolatura degli atri (1 m/s) = contrazione nodo atrioventricolare (0,05 m/s, rallenta la trasmissione in modo da permettere agli atri di terminare la contrazione prima di quella dei ventricoli) fascio di His, branche e fibre del Purkinje (2 m/s, più veloce perché ha il diametro maggiore) muscolatura dei ventricoli (1 m/s) = contrazione. La velocità di trasmissione dipende dal diametro delle cellule attraversate.

Batmotropismo/eccitabilità

È la capacità del cuore di rispondere allo stimolo generando un potenziale d'azione. È molto importante la regola del 'tutto o nulla', ovvero il fatto che il potenziale d'azione ha sempre la stessa ampiezza, indipendentemente dallo stimolo dato.

Inotropismo/contrattilità

È invece la capacità di risposta ad un segnale elettrico generando una contrazione. Più veloce è il ciclo più elevata è la contrattilità (tachicardia, effetto inotropo positivo) Per questo è molto importante conoscere la struttura base della fibra muscolare striata, ovvero il sarcomero. Questo è formato da actina, miosina e varie proteine quali troponina (C, T e I) e tropomiosina (maschera i siti dell'actina a riposo). La subunità C della troponina lega il Ca²⁺ rilasciato e permette la contrazione (il sarcomero si accorcia perché i filamenti slittano). Per il rilassamento, il Ca²⁺ esce dalla cellula e viene ripompato (pompa serc) nelle cisterne del reticolo sarcoplasmatico (esistono farmaci quali la digoxina che regolano la quantità di Ca²⁺ nella cellula o la sensibilità della troponina per il Ca²⁺).

La prova che per la contrazione/rilassamento sia anche necessario l'ATP, è il Rigor Mortis: il corpo nelle prime ore dopo la morte risulta rigido perché non viene prodotto ATP ed il Ca²⁺ è costantemente legato alla troponina. A seguito avviene il rilascio di enzimi litici e lisosomiali.

Innervazione vegetativa del cuore

• Sistema nervoso centrale (encefalo e midollo spinale) → periferico (nervi spinali e cranici) → autonomo/viscerale/vegetativo → somatico (muscoli scheletrici/motori) → sensitivo

Il cuore ha un tipo di innervazione vegetativa che si divide ancora in:

• SN parasimpatico: effetto negativo sulla frequenza, prevale nella vita di tutti i giorni. Il vago (diviso in cervicale e sacrale) innerva unicamente gli atri (nodo SA). Rilascia acetilcolina che, legandosi ai recettori muscarinici (antagonista= atropina; legano una sostanza del fungo muscaria), hanno effetto cronotropo negativo sul cuore. Nella muscolatura scheletrica il neurotrasmettitore si lega invece ai nicotinici↔nicotina, il cui antagonista è il curaro (morte per insufficienza respiratoria; derivati utilizzati negli interventi chirurgici)
• SN ortosimpatico: aumenta la frequenza cardiaca, prevale in situazioni di stress/emozioni. Innerva tutto il cuore e rilascia noradrenalina che si lega ai recettori adrenergici (sono di tipo α e β, nel cuore ne troviamo soprattutto di tipo β1). Rispetto all'adrenalina non è metilata: Tyr → Dopamina → noradrenalina → adrenalina (catecolammina, ormoni della corticale del surrene). Il SN ortosimpatico diminuisce il potenziale a riposo e rallenta lo sviluppo del pre-potenziale, oltre ad avere effetti positivi su tutte le caratteristiche del cuore.

Il ciclo cardiaco

Il ciclo cardiaco è rappresentato da tutti gli eventi che caratterizzano l'attività meccanica del cuore (quella elettrica= ECG; le onde elettriche precedono quelle meccaniche). In particolare, possiamo distinguere due grandi fasi:

• Sistole: contrazione e sangue esce dai ventricoli verso i vasi (aorta ed arteria polmonare)
• Diastole: rilassamento e riempimento ventricolare di sangue

Il ciclo nel cuore sinistro è quello di cui si parla di più; si ci riferisce soprattutto agli eventi nella cavità del ventricolo sinistro, importante perché immette il sangue in circolo.

Durata

A riposo, con una frequenza di 75 battiti/min, il ciclo cardiaco= 0,8 secondi, di cui 0,5 secondi per la diastole e 0,3 per la sistole. In caso di aumento di frequenza cardiaca, la durata diminuisce anche a 0,6 secondi (la diastole si riduce). La durata del ciclo cardiaco non può scendere al di sotto di un certo valore, tenuto conto della refrattarietà delle fibre durante il potenziale d'azione che dura sempre 300 ms (la frequenza non può aumentare oltre certi limiti).

Il sangue passa attraverso le cavità per gradiente di pressione: si può infatti paragonare all'acqua o all'aria): va infatti dall'atrio al ventricolo per esempio se la pressione negli atri è più alta che quella dei ventricoli. Si formano così curve di pressione, che rappresentano gli alti valori di pressione del cuore sinistro (aorta= 120 di p.max e 80 di minima/postcarico).

Contemporaneamente allo studio della variazione di pressione è possibile studiare il diverso riempimento delle camere e suoni (toni cardiaci).

Fasi del ciclo cardiaco

1. Sistole atriale: contemporanea all'ultima parte della diastole ventricolare; la valvola mitrale è aperta e la pressione degli atri è più alta, il ventricolo di riempie di sangue (ONDA A)
2. Sistole isometrica ventricolare: le valvole sono tutte chiuse e il ventricolo risulta una cavità chiusa e piena. Essendo lo spostamento=0 (il sangue è incomprimibile= dV è 0, così come la differenza di lunghezza delle fibre muscolari), il ventricolo consuma O₂ benché il lavoro ed il rendimento siano nulli: questa fase non è positiva per il cuore e deve quindi essere il più veloce possibile. Il tutto dipende dalla pressione dell'aorta, che se è bassa diminuisce la durata di questa fase (è meglio avere la pressione bassa). Questo valore è la pressione minima/postcarico. (ONDA C)
3. Sistole isotonica: eiezione/efflusso; la pressione del ventricolo è più alta di quella minima dell'aorta apertura valvole semilunari durante questa fase della sistole, il ventricolo si accorcia.
4. Diastole isometrica: la semilunare si chiude (dipende dal sangue pompato) ed il ventricolo si rilascia. Intanto, la pressione ventricolare è ancora più alta di quella atriale e di conseguenza il passaggio atrio-ventricolo è chiuso: il ventricolo è di nuovo una cavità chiusa. Il volume del ventricolo non cambia perché il sangue è un liquido incomprimibile.
5. Diastole isotonica: ultima fase, la valvola mitrale si apre perché la pressione del ventricolo è minore di quella atriale e inizia il riempimento ventricolare per gradiente pressorio. Si divide in una fase di riempimento rapido (entra la maggior parte del sangue nel ventricolo) e una di riempimento lento. La sistole atriale completa il riempimento ventricolare (ha un ruolo secondario). L'onda finale della curva atriale rappresenta il riempimento dell'atrio di sangue dalle vene polmonari (ONDA V, causata dal ritorno venoso).