Fisiologia Cardiaca

FISIOLOGIA DEL SISTEMA

CARDIOVASCOLARE

Appunti per la preparazione del modulo “Fisiologia dell’apparato cardiovascolare”, nel corso di

Fisiologia Umana II 29

Sommario

Capitolo 0: introduzione

ANATOMIA DEL CUORE (Micro e Macroscopica) _______________________________________________________________________ 3

Capitolo 1: fisiologia elettrica del cuore

MECCANISMI IONICI DEL POTENZIALE D’AZIONE delle cellule muscolari cardiache ___________________________________________ 4

Potenziale d’azione nei cariomiociti di lavoro. _____________________________________________________________________ 4

Potenziale d’azione nelle cellule di pacemaker _____________________________________________________________________ 4

Effetti della pompa Na/K sul potenziale d’azione ___________________________________________________________________ 5

Refrattarietà ________________________________________________________________________________________________ 5

PROPAGAZIONE DEL POTENZIALE D’AZIONE e CONTRAZIONE CARDIACA___________________________________________________ 6

Tessuti e velocità di conduzione dell’impulso ______________________________________________________________________ 6

Percorso del potenziale _______________________________________________________________________________________ 6

Progressione della contrazione cardiaca __________________________________________________________________________ 7

REGOLAZIONE DELL’ATTIVITA’ CARDIACA DA PARTE DEL SNA ____________________________________________________________ 7

Differenze tra sistema orto e parasimpatico _______________________________________________________________________ 7

Cronotropismo ______________________________________________________________________________________________ 8

Dromotropismo______________________________________________________________________________________________ 8

Inotropismo _________________________________________________________________________________________________ 8

Visione generale (alla luce dei meccanismi molecolari affrontati) ______________________________________________________ 9

Potenziale d’azione in condizioni non fisiologiche: meccanismi protettivi ________________________________________________ 9

Farmaci che intervengono nella regolazione dei canali ionici _________________________________________________________ 10

Riflessi nervosi cardiaci non regolati dal sna ______________________________________________________________________ 10

Aritmia sinusale respiratoria __________________________________________________________________________________ 10

Relazione tra durata del potenziale d’azione (APD) e durata dell’intervallo diastolico (AID) ________________________________ 10

Capitolo 2: elettrocardiogramma

ELETTROCARDIOGRAMMA DI EINTHOVEN ___________________________________________________________________________ 12

Fasi dell’elettrocardiogramma _________________________________________________________________________________ 13

DERIVAZIONI UNIPOLARI E PRECORDIALI ____________________________________________________________________________ 15

Derivazioni di Goldberg (unipolari degli arti) ______________________________________________________________________ 15

Derivazioni precordali ________________________________________________________________________________________ 16

Vettorcardiogramma ________________________________________________________________________________________ 16

APPLICAZIONI CLINICHE DELL’ELETTROCARDIOGRAMMA ______________________________________________________________ 16

Stima dell’asse cardiaco ______________________________________________________________________________________ 16

Valori fisiologici: frequenza cardiaca. ____________________________________________________________________________ 16

Disturbi nella conduzione: patologie rilevabili tramite ECG __________________________________________________________ 17

Capitolo 3: Fisiologia meccanica del cuore

LA CONTRAZIONE CARDIACA A LIVELLO CELLULARE ___________________________________________________________________ 19

MECCANICA DEL CICLO CARDIACO _________________________________________________________________________________ 19

Fasi del ciclo cardiaco __________________________________________________________________________________________ 19

Differenze nei due cicli cardiaci (dx e sx) _________________________________________________________________________ 20

Toni cardiaci _______________________________________________________________________________________________ 21

Variazioni di pressione a livello atriale: la danza delle giugulari _______________________________________________________ 21

Rapporto pressione-volume durante il ciclo cardiaco _______________________________________________________________ 21

FUNZIONE CARDIACA ____________________________________________________________________________________________ 22

Definizione di gittata cardiaca _________________________________________________________________________________ 22

Misura della gittata cardiaca (stima in vivo) ______________________________________________________________________ 22

Concetto: la contrattilità del miocardio __________________________________________________________________________ 22

Rapporto tensione-lunghezza: la Legge di Frank-Starling ____________________________________________________________ 23

Rapporto tensione-lunghezza-velocità (contrattilità) _______________________________________________________________ 25

Rapporto frequenza cardiaca-forza di contrazione: effetto Bowditch __________________________________________________ 25

Regolazione della funzione cardiaca ____________________________________________________________________________ 25

Adattamento della funzione cardiaca allo sforzo. __________________________________________________________________ 26

1

Potenziamento post-extrasistolico ______________________________________________________________________________ 26

La GC si adatta a modifiche delle richieste periferiche ______________________________________________________________ 26

METABOLISMO DEL CUORE _______________________________________________________________________________________ 27

Il lavoro svolto da cuore ______________________________________________________________________________________ 27

Consumo energetico _________________________________________________________________________________________ 27

Capitolo 4: La periferia: principi di emodinamica

PRINCIPI GENERALI ______________________________________________________________________________________________ 29

Relazione Area-velocità ______________________________________________________________________________________ 29

Equazione di Bernoulli _______________________________________________________________________________________ 29

LA RESISTENZA VASCOLARE _______________________________________________________________________________________ 29

La viscosità di un fluido _______________________________________________________________________________________ 30

La Legge di Poiseuille e legge di Darcy. __________________________________________________________________________ 30

LE PROPRIETA’ ELASTICHE DEI VASI ________________________________________________________________________________ 31

La legge di Hooke e Young ____________________________________________________________________________________ 31

EMODINAMICA PERIFERICA_______________________________________________________________________________________ 32

Flusso laminare e flusso turbolento _____________________________________________________________________________ 32

Relazione tra pressione e flusso ________________________________________________________________________________ 33

La compliance vascolare ______________________________________________________________________________________ 33

Il modello Windkessel ________________________________________________________________________________________ 34

Polsi arteriosi _______________________________________________________________________________________________ 35

L’onda sfigmica _____________________________________________________________________________________________ 36

Pressione arteriosa media ____________________________________________________________________________________ 36

Capitolo 5: Funzione cardiocircolatoria

La pressione arteriosa ________________________________________________________________________________________ 38

Determinanti del ritorno venoso _______________________________________________________________________________ 38

Grafici della funzione cardiocircolatoria _________________________________________________________________________ 39

Capitolo 6: Microcircolo e sistema linfatico

MICROCIRCOLO ________________________________________________________________________________________________ 41

Panoramica generale ________________________________________________________________________________________ 41

Cellule endoteliali ___________________________________________________________________________________________ 41

La tensione della parete capillare_______________________________________________________________________________ 42

Scambi microvascolari: modalità _______________________________________________________________________________ 43

Variazione della pressione idrostatica capillare ____________________________________________________________________ 44

Ruolo della vasomotilità arteriolare _____________________________________________________________________________ 45

Meccanismo di controllo del flusso ematico locale _________________________________________________________________ 45

SISTEMA LINFATICO _____________________________________________________________________________________________ 47

Struttura e fisiologia del sistema linfatico ________________________________________________________________________ 47

2

Capitolo 0. Introduzione alla fisiologia cardiaca

ANATOMIA DEL CUORE (Micro e Macroscopica) periodicamente potenziali d’azione. Sono raccolte

Anatomia macroscopica del cuore nel NSA, nel NAV, nelle fibre di Purkinje e

Il cuore è una pompa a riempimento passivo costituita da 4 disseminate nel tessuto di conduzione cardiaco.

camere in comunicazione a due a due: atri e ventricoli. In condizioni fisiologiche il gruppo di cellule del

Anatomicamente sarebbe corretto descrivere le due pompe NSA detta il ritmo di contrazione dell’intero

cardiache come pompe in parallelo, ma del punto di vista miocardio, ma in condizioni di una sua alterata

fisiologico esse lavorano in serie. funzionalità possono sopperire alla sua mancanza

Elemento fondamentale dell’anatomia cardiaca, dal punto di il NAV, le cellule di Purkinje o addirittura il

vista fisiologico, sono le valvole. Queste impediscono il miocardio di lavoro (si tratta di un meccanismo di

riflusso del sangue in direzione antidromica, fenomeno che sicurezza, ).

spiegato meglio più avanti nel testo

ridurrebbe l’efficienza della contrazione cardiaca. Le valvole

sono soggette alle leggi della pressione: vengono aperte dal 2) Cellule di conduzione

flusso sanguigno che segue il gradiente pressorio e Sono cellule capaci di trasmettere l’impulso

vengono chiuse quando la pressione che agisce su di loro nervoso in maniera estremamente rapida.

supera la pressione che le tiene aperte. Costituiscono uno scheletro elettrico che consente

Durante la diastole le valvole atrioventricolari saranno l’efficace propagazione del potenziale d’azione

dunque aperte perché la pressione nell’atrio è superiore a generato dalle cellule pacemaker. Le cellule di

quella vigente nel ventricolo. Al contrario durante la sistole si conduzione costituiscono i tre fasci che connettono

chiuderanno, perché la pressione generata dalla il NSA al NAV, il fascio di Bachman, in fascio di

contrazione del miocardio ventricolare è nettamente His, le due branche dx e sx e le fibre di Purkinje.

superiore a quella che troviamo nell’atrio. Il ribaltamento dei

lembi valvolari nell’atrio stesso è impedito dalle corde 3) Miocardio di lavoro

tendinee, strutture tendinee associati ai muscoli papillari, Sono cellule molto piccole, la cui lunghezza non

che fanno parte dell’endocardio ventricolare e che con esso supera i 10 mm e il cui diametro si aggira attorno ai

si contraggono durante la sistole. 100 micron (differentemente dalle cellule muscolari

Durante tutta la diastole e durante la prima fase della sistole striate che hanno dimensioni molto maggiori). Sono

le valvole semilunari sono chiuse, in quanto la pressione spesso ramificate, e presentano una gran quantità

presente nelle arterie è superiore a quella presente nei di dischi intercalari, canali elettrici a bassissima

ventricoli. Quando la pressione generata dalla contrazione resistenza che consentono l’accoppiamento

ventricolare supera quella vigente nelle arterie (cioè nella elettronico delle cellule. Sono presenti anche

parte finale della sistole), le valvole si aprono. desmosomi, strutture di adesione intercellulare

Le quattro valvole cardiache sono distribuite su una struttura che consentono l’accoppiamento meccanico tra le

fibrosa pressappoco planare detta scheletro fibroso del cellule.

cuore. Si tratta di uno scheletro connettivale che dà Sono cellule muscolari striate dotate di alcune

sostegno agli osti valvolari e alle fibre del miocardio, e che peculiarità, incapaci di generare automaticamente

separa le fibre degli atri da quelle dei ventricoli. Non c’è potenziali d’azione.

dunque continuità tra le fibre delle due camere cardiache: Si rivelano origine ectopica di potenziali d’azione

questo sarà di fondamentale importanza quando verrà solo in condizioni non fisiologiche come l’ipossia: si

trattata la fisiologia della conduzione dell’impulso elettrico assiste ad una depolarizzazione che dà origine ad

nel miocardio. L’unica via di comunicazione elettrica tra atrio una extrasistole.

e ventricolo è il nodo atrio ventricolare, situato nel triangolo

di Koch, atrio destro. (

Si rimanda al capitolo 1 per una trattazione Per le caratteristiche elettriche delle varie cellule che compongono il

più approfondita della fisiologia elettrica del cuore.) cuore vedere il paragrafo “propagazione del potenziale d’azione”

Altro elemento anatomico di interesse fisiologico è lo

spessore della parete ventricolare: molto maggiore nel

ventricolo di sinistra rispetto a quello di destra. Questo

causa una notevole disparità nella forza di contrazione delle

due camere: la pressione generata dal cuore di sinistra sarà

nettamente superiore confrontata a quella di destra.

Tipologie cellulari del miocardio (anatomia microscopica)

A comporre il cuore troviamo varie tipologie di cellule. La

maggior parte di queste sono cellule muscolari, dette

cardiomiociti di lavoro, dotate di alcune caratteristiche

peculiari ma in fondo approssimabili alle cellule muscolari

striate. Altre cellule sono invece specializzate nella

generazione e nella conduzione dell’impulso nervoso.

1) Cellule pacemaker

Sono cellule a depolarizzazione spontanea, in

grado di generare automaticamente e 3

Capitolo 1: Fisiologica elettrica del cuore

MECCANISMI IONICI DEL POTENZIALE D’AZIONE I canali sono detti “transient outword” (K ): hanno

delle cellule muscolari cardiache to

una cinetica di apertura voltaggio dipendente e una

disattivazione spontanea molto rapida (come i

Potenziale d’azione nei cardiomiociti di lavoro . canali sopra descritti). Consentono una forte

1. Potenziale a riposo corrente uscente di K, polarizzante, in quanto in

Il potenziale a riposo della membrana del cardiomiocita è questa fase il potenziale di membrana è molto

molto negativo: -90 mV. lontano dal potenziale di Nernst del K.

È determinato dalla presenza di peculiari canali del K, detti

Inward rectifying (Kir): sono canali passivi, aperti in 3) FASE 3: plateau, sostenuta da pari correnti di Ca e

backgorund, che consentono in passaggio di K verso di K, che si compensano a dare una variazione di

l’esterno della cellula a potenziali molto negativi, ma si potenziale nulla.

chiudono quasi del tutto a potenziali vicini allo 0, non I canali del K coinvolti in questa fase sono canali a

consentendo il passaggio di ioni. cinetica ritardata, detti Kr e Ks (canali “delayed

Il cardiomiocita presenta un numero elevatissimo di questi rectifying”). Si attivano in maniera voltaggio

canali: a potenziali molto negativi la conduttanza del K è dipendente, ma in ritardo rispetto ai K , e non

to

talmente elevata che il potenziale di membrana è quasi pari presentano cinetica di disattivazione.

al potenziale di Nernst del K. (Il rapporto tra la conduttanza I canali del Ca che si aprono in questa fase del

al K e agli altri ioni è di circa 100:1) potenziale sono canali a lenta attivazione, detti

Il meccanismo molecolare che sovrintenda alla rettificazione “canali L”. La loro cinetica di disattivazione è mista:

in entrata dipende da ioni Mg intracellulari: quando la in parte sono inattivati dal Ca stesso che grazie a

membrana si depolarizza questi cationi entrano all’interno loro entra nella cellula, in parte sono inattivati a

del poro e ostruiscono il passaggio del K, riducendo la causa della variazione di potenziale. Si tratta di una

conduttanza del canale. Quando invece la membrana si sorta di meccanismo a feedback positivo: i primi

polarizza lo ione Mg viene scalzato dal canale, che torna canali CaL sono inattivati dallo ione che ingombra il

pervio e percorribile dal K. poro, il che causa una riduzione della corrente

La rettificazione in entrata è un meccanismo di sicurezza: la entrante di Ca che sarà surclassata dalla corrente

fuoriuscita di K durante il potenziale d’azione è lasciata uscente di K. Ciò si traduce in una lieve ma

all’azione di altri canali specifici, meno numerosi dei Kir. Se importante ripolarizzazione, secondo evento

il K potesse infatti attraversare i canali Kir durante la necessario affinché si chiudano i canali CaL.

depolarizzazione, a causa dell’enorme forza elettromotrice La fase di plateau è fondamentale per consentire il

data dalla distanza dal potenziale di Nernst la corrente di K giusto ingresso di Ca nel cardiomiocita,

sarebbe abnorme, sicuramente non compensabile dalla fond