Fisiologia (apparato cardiovascolare, sistema respiratorio, sistema urinario)

Fisiologia - Prof. Luciano Zocchi

Sistema cardiovascolare

Generalità

Il cuore è una doppia pompa:

• Ventricolo sinistro: alimenta il flusso nel circolo sistemico, pompando sangue nell’aorta.
• Ventricolo destro: alimenta il flusso nel circolo polmonare, pompando sangue nelle arterie polmonari.

N.B. I due ventricoli pompano simultaneamente lo stesso volume di sangue ad ogni battito. Il sistema è un circuito alimentato da due pompe disposte in serie. Il sangue passa dall’aorta alle diverse arterie in cui questa si sfiocca (che portano il sangue nei vari distretti), che sono poste invece tra di loro in parallelo. La pressione generata dalla pompa è uguale in ogni distretto.

Frequenza cardiaca media

La frequenza cardiaca media è 75 battiti/min (l’intervallo di frequenza normale è 60-100): ogni minuto partono dal nodo seno atriale 75 potenziali d’azione che fanno contrarre il cuore. N.B. Questo parametro, come tutti i parametri fisiologici, ha una certa variabilità: è importante conoscere l’intervallo in cui i parametri (come la frequenza cardiaca) possono oscillare.

Volumi

• Volume telediastolico: volume presente nel ventricolo alla fine della diastole (quindi all’inizio della contrazione, la sistole).
• Volume telesistolico: volume rimasto nel ventricolo al termine della sistole. Il ventricolo infatti non si svuota completamente, ma rimane al suo interno un certo volume (poco meno della metà).

Tensione parete - pressione del sangue intraventricolare

Quando le fibre della parete del ventricolo ricevono l’impulso si contraggono, sviluppando una certa tensione; la tensione impiega circa 1/4 di secondo a raggiungere il picco. Essendo il ventricolo una camera chiusa (la valvola atrioventricolare e la valvola semilunare sono chiuse): la tensione che si sviluppa determina un aumento della pressione del sangue contenuto nel ventricolo. Quando la pressione intraventricolare raggiunge un valore più alto rispetto alla pressione presente oltre le valvole semilunari: le valvole si aprono ed una parte del sangue esce.

Pressione nel ventricolo

• Al termine della diastole (prima della contrazione) è 0 mmHg.
• Quando il ventricolo inizia a contrarsi aumenta progressivamente fino a raggiungere un valore di 120 mmHg.

Pressione arteriosa

• Il sangue pompato dal ventricolo sinistro (vale anche per il destro) va ad aggiungersi al sangue già presente nell’aorta determinando un aumento di pressione al suo interno. N.B. Le pareti dell’aorta contengono molte fibre elastiche: quando ricevono sangue si distendono a causa dell’aumento di volume e quindi il sangue in un primo istante non scorre ma si accumula.
• Quando la pressione intraventricolare inizia a scendere, la pressione nell’aorta torna ad essere più elevata rispetto al ventricolo: chiusura delle valvole semilunari.
• A questo punto, nonostante il ventricolo non stia più pompando: il sangue continua a scorrere. Questo fenomeno è dovuto al comportamento elastico delle pareti dell’aorta: la forza di ritorno elastico fa tornare alle dimensioni originarie il diametro del vaso e l’energia potenziale elastica si trasforma in energia cinetica che viene trasmessa al sangue permettendogli lo scorrimento.

N.B. Questa espansione e ritorno che si verifica nell’aorta si propaga come un'onda lungo tutte le arterie (ogni tratto appena riceve il sangue aumenta il proprio diametro e successivamente permette lo scorrimento del sangue analogamente a quanto descritto per l’aorta).

Flusso sanguigno

Fisica dei flussi

Il flusso, in generale, è descritto dall’equazione di teorel: F=k·X. In un condotto: il flusso c’è quando esiste una differenza della variabile che promuove il flusso tra due punti del sistema; la variabile è la pressione idraulica P. Il flusso F originato ha una certa forza propulsiva, che dipende:

• Dalla conduttanza g, con proporzionalità diretta.
• Dalla resistenza R che si oppone al flusso, con proporzionalità inversa.

Il flusso di liquido in un condotto si calcola quindi come: F=g·ΔP=ΔP/R. N.B. Questa relazione viene utilizzata per descrivere il flusso laminare in ogni ramo dell’albero circolatorio del corpo umano (ci sono però alcune eccezioni).

Pendenza

La pendenza della retta che descrive il flusso (F=ΔP/R) è data da Q/ΔP, ovvero 1/R. Il reciproco di R corrisponde alla conduttanza g; a parità di pressione:

• Se aumenta la conduttanza o diminuisce la resistenza: il flusso aumenta.
• Se diminuisce la conduttanza o aumenta la resistenza: il flusso diminuisce.

Flusso laminare e flusso turbolento

La probabilità di un flusso dipende dal numero di Reynolds: esiste un valore soglia di questo numero, oltre al quale il flusso passa da laminare a turbolento. Il numero di Reynolds è direttamente proporzionale alla velocità del fluido e al diametro del condotto. L’aorta:

• È il vaso con il diametro maggiore.
• È il vaso nel quale il sangue scorre con velocità maggiore; per questo motivo in condizioni di riposo il flusso è turbolento soltanto all’interno dell’aorta.

Quando il flusso è turbolento la relazione passa da lineare a curvilinea: F=g·√ΔP=√ΔP/R; di conseguenza è necessaria una pressione più elevata per ottenere il medesimo flusso.

Flusso nel sistema cardiovascolare

Nel sistema cardiovascolare il flusso è definito come gittata cardiaca (o portata cardiaca) ed ha un valore medio di 5 L/min. La gittata cardiaca è calcolata come il prodotto di:

• Frequenza cardiaca: numero di battiti al minuto, mediamente 70 Hz.
• Volume di eiezione (o gittata sistolica): volume espulso durante la sistole, mediamente 70 mL.

Variazione della gittata cardiaca: durante un esercizio muscolare intenso la gittata cardiaca varia in modo tale da consentire un maggiore apporto di sangue ai muscoli in minor quantità di tempo (in quanto i muscoli lavorano di più). La gittata cardiaca può aumentare fino al 600%, sotto stimolo del sistema nervoso autonomo che stimola:

• Un aumento del volume di eiezione: può aumentare solo fino al 200%.
• Un aumento della frequenza cardiaca: questa può aumentare solo fino al 300%, in quanto un aumento troppo elevato comporterebbe una diminuzione del tempo della diastole che non darebbe al ventricolo il tempo adeguato per riempirsi.

La gittata cardiaca è proporzionale a numerosi fattori: a) attività metabolica (correlato al consumo di ossigeno), b) peso corporeo, c) età.

Pressione sanguigna

Nel circolo sanguigno si definisce differenza di pressione ΔP la differenza di pressione tra il punto iniziale ed il punto finale del circolo.

Circolo sistemico

• Pressione iniziale: ha un valore di circa 100 mmHg.
• Pressione finale: ha un valore di circa 4 mmHg, che per convenzione viene considerato 0 mmHg.

Si ottiene quindi un ΔP=100 mmHg. La caduta di pressione è causata dalle resistenze che il sangue incontra passando attraverso i vari distretti.

Circolo polmonare

• Pressione iniziale: ha un valore di circa 20 mmHg.
• Pressione finale: ha un valore di circa 0 mmHg.

Si ottiene quindi un ΔP=20 mmHg. Nel circolo polmonare viene dissipata meno pressione in quanto la resistenza opposta a livello periferico è minore.

Variazioni della pressione

• Ventricolo sinistro: la pressione oscilla per 70 volte al minuto tra 0 mmHg e 120 mmHg.
• Aorta e grandi arterie: la pressione passa da un valore di 120 mmHg ad un valore di 80 mmHg durante la diastole (si considera quindi un valore medio di circa 100 mmHg).
• Vasi di resistenza precapillari (arteriole): si verifica una grossa caduta della pressione, che cala da un valore iniziale di circa 90 mmHg a circa 40 mmHg.
• Capillari: la pressione cala linearmente da 40 mmHg a 15 mmHg.
• Circolo venoso: il sangue raggiunge l’atrio destro e la pressione scende gradualmente fino a 0 mmHg.
• Ventricolo destro: la pressione oscilla per 70 volte al minuto tra 0 mmHg e 20 mmHg.
• Arterie polmonari: la pressione varia da un massimo di 20 mmHg (sistolica) ad un minimo di 10 mmHg (diastolica).
• Vene polmonari: il sangue raggiunge l’atrio sinistro e la pressione scende gradualmente fino a 0 mmHg.

Resistenze periferiche

Essendo il flusso F=ΔP/R, si possono calcolare le resistenze periferiche R=ΔP/F. I valori sono:

• Circolo sistemico: R=100/5= 20 mmHg/L/min.
• Circolo polmonare: R=20/5= 4 mmHg/L/min.

Pressione media

Ha significato in quanto se fosse la pressione costante nei vasi (invece che oscillare come descritto) produrrebbe lo stesso flusso prodotto dalle oscillazioni pressorie che vengono misurati. Per questo motivo il ΔP è utilizzabile nell’equazione. La pressione media non è la media aritmetica tra le pressioni arteriose massima e minima, ma è la pressione che vige nell’arteria mediamente durante il ciclo (è infatti più vicina alla pressione minima).

Muscolo cardiaco

Il cuore è un muscolo, costituito da due componenti:

• Miocardio comune: fibre che costituiscono le pareti degli atri e dei ventricoli.
• Miocardio specifico: fibre che hanno acquisito capacità di generare potenziali d’azione e/o di condurli.

Tutte le fibre del miocardio sono costituite da muscolatura striata (quindi analogamente al muscolo scheletrico sono presenti i sarcomeri) ma, a differenza del muscolo scheletrico:

• Le fibre sono più corte e ramificate.
• Ogni fibra prende contatto con altre fibre, attraverso:
  • Giunzioni elettriche (canali): che permettono il flusso di corrente tra i citoplasmi.
  • Giunzioni meccaniche (desmosomi): quando una fibra genera una certa tensione ne trasmette una parte ad un'altra.

Contrazione del muscolo cardiaco

Il miocardio specifico è costituito da cellule muscolari deputate a generare e propagare un impulso. Il punto in cui viene generata l’attività elettrica è il nodo senoatriale (parete posteriore dell’atrio destro, tra le due vene cave), successivamente:

1. Negli atri l’impulso si propaga tra le fibrocellule seguendo varie direttrici.
2. Successivamente raggiunge il nodo atrioventricolare (si trova nel disco fibroso che separa atri e ventricoli).
3. L’impulso imbocca il fascio di His, che si divide in due rami che corrono sui due lati del setto interventricolare.
4. In fondo al setto (a livello della punta del cuore) partono una serie di vie, le cellule del Purkinje, che risalgono lungo le pareti e permettono la propagazione dell’impulso nei ventricoli.

Da quando l’impulso viene generato al termine dell’impulso (base del ventricolo) intercorrono 200 ms.

Elettrocardiogramma

Attraverso l’elettrocardiogramma è possibile registrare a distanza le differenze di potenziale generate dall’attività elettrica del muscolo cardiaco; si tratta quindi di un riflesso di quanto sta accadendo nel cuore. Attraverso l’onda elettrocardiografica si registrano fenomeni elettrici che si stanno verificando in gruppi di cellule sufficientemente grandi, mentre l’attività elettrica di piccoli gruppi di cellule (come quelle del nodo senoatriale) si dissipa prima di raggiungere gli elettrodi e di conseguenza non può essere registrata. N.B. Quanto viene registrato è la depolarizzazione e non la contrazione.

Sequenza delle onde registrate

1. Onda P: rappresenta la depolarizzazione delle cellule dell’atrio (che avviene circa contemporaneamente alla depolarizzazione delle cellule del nodo senoatriale).
2. Tratto isoelettrico: periodo in cui non si registrano depolarizzazioni, in quanto l’impulso si sta verificando nel nodo atrioventricolare (il quale, analogamente al nodo senoatriale, è costituito da un gruppo troppo piccolo di cellule).
3. Onda Q: rappresenta la depolarizzazione delle cellule del setto interventricolare; questa onda è spesso negativa.
4. Onda R: rappresenta la depolarizzazione delle cellule della regione apicale del ventricolo.
5. Onda S: rappresenta la depolarizzazione della regione basale del ventricolo; questa onda è spesso negativa.
6. Tratto isoelettrico: periodo in cui non si registrano depolarizzazioni, in quanto tutte le cellule del ventricolo si sono depolarizzate.
7. Onda T: è l’ultima onda registrata; rappresenta la ripolarizzazione delle cellule ventricolari.

N.B. Anche gli atri si ripolarizzano, ma l’onda corrispondente non viene registrata (si tratterebbe di un’onda analoga all’onda T) in quanto: gli atri sono di dimensioni minori rispetto ai ventricoli e l’onda della loro ripolarizzazione viene mascherata dalle onde di depolarizzazione dei ventricoli (onde Q, R e S).

Depolarizzazione delle cellule del miocardio specifico

Le cellule del miocardio specifico fungono da pacemaker in quanto non riescono mai a raggiungere il proprio potenziale di riposo. Partendo dal picco del potenziale d’azione:

• (3): Avendo raggiunto il picco del potenziale d’azione, si aprono i canali per il K+ che esce e la cellula inizia a ripolarizzarsi.
  • La cellula cerca di ripolarizzarsi fino al proprio potenziale di riposo (-90 mV), ma questo non può accadere.
• (4): Raggiunti i -60 mV si aprono dei canali voltaggio dipendenti per il Na+ (canali IF) che entra nella cellula depolarizzandola nuovamente.
  • La depolarizzazione è lenta in quanto, essendoci una ddp di -60 mV, il gradiente elettrico del Na+ non è molto elevato e di conseguenza il suo flusso non è molto grande.
• (0): Raggiunto un potenziale di -40/-45 mV si aprono dei canali voltaggio dipendenti per il Ca2+ che entra nella cellula depolarizzandola fino al raggiungimento del picco.
  • La forza elettrochimica che spinge il Ca2+ nella cellula è molto più elevata di quella che spinge il Na+, per questo una volta aperti i suoi canali la salita del potenziale è molto più rapida.

N.B. Sono presenti poi alcune proteine canale che ristabiliscono gli equilibri elettrolitici di sodio, calcio e potassio.

Fenomeno della dominanza

Tra le cellule del miocardio (sia comune che specifico) sono presenti anche altre regioni con la capacità di fungere da pacemaker (quindi di generare spontaneamente il ritmo cardiaco), ad esempio: a) le cellule del nodo atrioventricolare, b) alcune cellule ventricolari. Anche queste cellule posseggono i canali IF, ma in minor quantità; scaricano quindi con una minore frequenza rispetto al nodo senoatriale e di conseguenza: vengono raggiunti dal potenziale generato dal nodo senoatriale prima di poterne generare uno da sé e quindi devono sincronizzarsi con esso.

N.B. Si può dire quindi che il pacemaker primario è quello che genera potenziali d’azione a maggior frequenza, “obbligando” anche gli altri possibili pacemaker a sincronizzarsi con esso. Si può verificare infatti una situazione di battito ectopico (un battito che arriva in un momento differente dalla normale sequenza, che può quindi causare una extrasistole) causato da alcune cellule ventricolari in grado di fungere da pacemaker, che si depolarizzano spontaneamente in un momento diverso.

Depolarizzazione delle cellule del miocardio comune

Le cellule muscolari del miocardio comune, analogamente alle cellule muscolari scheletriche, rimangono al proprio potenziale di riposo (-90 mV) fino al momento in cui non sono investite da una depolarizzazione. Partendo dal segmento (4), in cui le cellule sono a riposo, la depolarizzazione avviene come segue:

• (0): La cellula riceve un impulso proveniente dalle vie di conduzione o dalle cellule vicine, si aprono i canali al Na+ (canali a due porte) che entra nella cellula determinando una rapida salita del potenziale d’azione fino al picco della depolarizzazione.
• (1): Raggiunto il picco del potenziale d’azione si aprono i canali al K+ voltaggio dipendenti che esce ed inizia a ripolarizzare la membrana.
• (2): La ripolarizzazione si blocca in quanto, nel frattempo, si sono aperti dei canali al Ca2+ voltaggio dipendenti; il flusso del Ca2+ (in ingresso) controbilancia il flusso del K+ (in uscita) e di conseguenza il potenziale rimane circa stabile.
• (3): Quando si chiudono i canali al Ca2+ si ha nuovamente soltanto un flusso di K+ in uscita, che ripolarizza la membrana fino al potenziale di riposo (4).

Contrazione delle cellule del miocardio

Come visto per le fibre muscolari scheletriche (con manfridi): la forza sviluppata da un muscolo dipende dal numero di ponti actina-miosina che si formano, i quali dipendono a loro volta con proporzionalità diretta dalla concentrazione di calcio intracellulare. Come mostrato in figura: la contrazione delle cellule muscolari inizia dopo un breve periodo di latenza rispetto alla depolarizzazione, ma termina circa in concomitanza con il termine della depolarizzazione.

Nel muscolo scheletrico: La depolarizzazione termina molto prima della conseguente contrazione muscolare. Per questo motivo la genesi di più potenziali d’azione ad alta frequenza permette di aumentare la forza sviluppata: la nuova depolarizzazione permette l’ingresso di ulteriore Ca2+ che si aggiunge a quello già presente nel citoplasma della fibra muscolare (che era entrato grazie al potenziale d’azione precedente e che, dal momento in cui la contrazione non è ancora terminata, si trova ancora all’interno della cellula). → Più elevata è la concentrazione di Ca2+, maggiore e più duratura è la forza sviluppata.

Nel muscolo cardiaco: Non può verificarsi quanto avviene nel muscolo scheletrico. La genesi di un nuovo potenziale può verificarsi solo quando la precedente contrazione è terminata: la contrazione termina in concomitanza al potenziale che l’ha generata (e durante questo periodo di tempo la membrana è refrattaria alla genesi di un nuovo potenziale d’azione). Quindi il nuovo ingresso di Ca2+ si verifica soltanto quando il Ca2+ presente precedentemente è già completamente uscito dalla cellula: non c’è aggiunta di calcio.