Fisiologia Cardio Circolatoria

Introduzione al sistema cardio-circolatorio

Cosa è un sistema circolatorio?

È un sistema di condotti all'interno dei quali circola un liquido contenente sostanze nutritive (ossigeno) con le quali possono essere alimentate le cellule che formano l'organismo. All'interno di questi condotti (vasi) il liquido nei sistemi circolatori chiusi è chiamato sangue, in quelli aperti emolinfa. Il sangue fluisce attraverso il cosiddetto flusso di massa.

Flusso di massa

Se avessimo due recipienti collegati tra di loro da un condotto e se la massa di liquido nel recipiente di sinistra è maggiore di quello di destra, esistono flussi unidirezionali di liquido da sinistra a destra. La pressione sovrastante al primo liquido è superiore a quella di destra, il liquido viene spinto a muoversi da sinistra verso destra (flusso netto). Il flusso netto è determinato dalla pressione e in questo caso P1 > P2. Se la situazione fosse inversa, ossia c'è più liquido a destra che a sinistra, il flusso netto sarebbe invertito perché P2 > P1. Esiste un caso particolare in cui la quantità di liquido nei due recipienti è uguale. In questo caso i due liquidi sono alla stessa pressione e il flusso netto è 0 (P1 = P2).

Da questi esempi possiamo determinare una formula in cui entra in gioco la Km (costante del flusso di massa che dipende da diversi fattori come la viscosità della soluzione, ossia tanto più un fluido è viscoso a parità di pressione genera flussi più lenti e varia dalla geometria del condotto): Fm = Km x ΔP

• ΔP = P1 - P2 che è il gradiente pressorio
• Km dipende quindi da: viscosità della soluzione, geometria del condotto

Perché avere un sistema circolatorio?

Tutte le cellule hanno necessità di scambiarsi materia e informazioni. Se avessimo a che fare con una cellula isolata, per semplice diffusione è possibile fare questo scambio di materia che diffonde nei liquidi interstiziali e poi attraverso la membrana plasmatica entra nella cellula. Le sostanze di scarto compiono un movimento inverso.

Il problema si pone negli organismi pluricellulari, i quali hanno organi formati da tessuti e a loro volta formati da masse di cellule. Le cellule che si trovano più all'interno (cellule centrali) hanno più difficoltà a scambiare materia con l'esterno. La diffusione sarebbe troppo lenta quindi.

Il problema si può risolvere quando si genera all'interno un flusso di massa, ossia scorre un certo tipo di liquido (sangue) che permette alle sostanze di essere trasportate per molti metri e di diffondere nelle cellule centrali.

La circolazione serve solo a fornire nutrimento e O₂?

No! Oltre a questa funzione, il sistema circolatorio è adepto alla rimozione di prodotti di scarto, al trasporto di cellule come i globuli bianchi che possono essere trasportati in tutti i distretti dell'organismo tramite il flusso di massa. Essi svolgono un ruolo fondamentale nell'infezione agendo come "spazzini" nel senso che reclutano organismi estranei eliminandoli. Oppure il trasporto di messaggi come per esempio gli ormoni (il NT non sono citati perché la liberazione è locale e quindi non serve un sistema circolatorio). Gli ormoni prodotti da cellule hanno come bersaglio a volte cellule molto distanti e il problema è raggiungerli. Se gli ormoni vengono convogliati nel sistema circolatorio potranno raggiungerle.

Un'altra funzione è la termoregolazione, ossia il mantenimento della temperatura corporea a valori più costanti possibili. Il sangue mantiene la temperatura costante in tutte le porzioni dell'organismo.

Cosa permette al sangue di fluire?

Il sangue nei vasi genera un flusso di massa, ossia fluisce con una certa velocità. Per far sì che esista questo flusso di massa, ossia per far sì che il sangue fluisca, abbiamo una pompa propulsiva che è rappresentata dal cuore (cuori in certi organismi inferiori). Oppure abbiamo i movimenti corporei come i movimenti degli arti o muscoli scheletrici, perché quando si contraggono comprimono i vasi determinando il flusso di sangue nei vasi. Inoltre, tutti i vasi (alcuni di più, altri meno) sono dotati di una tonaca muscolare, ossia tessuto muscolare liscio che può contrarsi in certe circostanze permettendo il flusso.

Nel verme di terra abbiamo un cuore per ogni metamero che fa scorrere il sangue nei vasi. In certi vasi (come le vene) sono presenti delle valvole che permettono al flusso di diventare unidirezionale. Le valvole sono presenti nei vasi dove la pressione sanguigna può diventare molto bassa e quindi, per evitare che ci sia un riflusso di sangue, assicurano un flusso unidirezionale.

Sistema circolatorio aperto

La pompa tende a spingere il fluido contenuto nella pompa e nei vasi a fluire in una certa direzione. I vasi in un sistema aperto non si richiudono su se stessi e quindi l'emolinfa fuoriesce nei liquidi interstiziali. Per il recupero, durante la fase di decontrazione avviene un risucchio e l'emolinfa tende a rientrare. In questo modo i tessuti possono essere irrorati. L'emocelio è la cavità corporea in cui si riversa l'emolinfa.

I molluschi bivalve hanno un sistema circolatorio aperto. Questo sistema è tipico degli invertebrati. Essendo molto semplice, l'organismo può esercitare un basso controllo del sistema circolatorio (come la pressione nei vasi) e questo in certe circostanze rappresenta un problema. L'emocelio è molto grande: circa il 20-40% del volume corporeo. Inoltre, l'emolinfa che scorre nei vasi ha una bassa pressione e il processo di scambio coi vari tessuti risulta essere più difficile (ultrafiltrazione difficile). Inoltre, si ha una limitata capacità di alterare il flusso sanguigno. Altra caratteristica è la bassa capacità di avere un metabolismo aerobico proprio perché è difficile avere scambi ottimali tra O₂ e tessuti. Alcuni organismi hanno cercato di porre rimedio a questo sistema circolatorio aperto. Per esempio, la lumaca Helix aspersa può avere una pressione sanguigna elevata.

Sistema circolatorio chiuso

Abbiamo sempre una pompa propulsiva, ma in questo caso i vasi si chiudono su se stessi. C'è un flusso di sangue nel sistema circolatorio e a livello di piccolissimi vasi (diramazioni di vasi più grandi) avviene lo scambio di materia e informazione a livello delle cellule circostanti. Per scambio di materia si intende del liquido (plasma) che si riversa nei liquidi interstiziali. Questo liquido può essere in gran parte recuperato dal sistema circolatorio quasi subito, ciò che non può essere recuperato è il sistema linfatico che è collegato al sistema circolatorio e quindi, dopo un certo tempo, verrà lo stesso recuperato. Non c'è perdita di liquido quindi durante gli scambi di materia.

La presenza di vasi che si chiudono su se stessi comporta la creazione di pressione più elevata all'interno. Di conseguenza, è possibile una maggiore regolazione tramite il SNA (parasimpatico e ortosimpatico) per esempio, oppure facendo contrarre o decontrarre la muscolatura liscia dei vasi. Altro sistema è quello di agire sulla pompa aumentando la forza di contrazione della pompa per pompare più sangue nei vasi oppure aumentando la frequenza con cui la pompa pompa sangue nei vasi.

La circolazione dei mammiferi

Deve esistere ovviamente l'elemento propulsivo, ossia il cuore. Esso è collegato tramite il ventricolo sinistro ad un grosso vaso che è l'arteria aorta (più grosso vaso del sistema circolatorio). Dall'aorta si formano delle diramazioni e le arterie quando diventano piccole prendono il nome di arteriole e quando diventano ancora più piccole i capillari che scambiano materia e informazioni coi tessuti. Sono circondati dall'endotelio (monostrato di cellule endoteliali) e dato che sono molto sottili avviene lo scambio. Durante la fase di recupero il sangue si arricchisce di anidride carbonica e sostanze di scarto.

Quella in rosso è il sangue che fluisce nei tessuti. In blu è rappresentata la componente venosa. Ai tessuti arriva il sangue arterioso. Il sangue che si allontana, ricco di sostanze di scarto e CO₂, è detto sangue venoso. Partendo dai capillari venosi abbiamo una convergenza di vasi che diventano venule, poi tante venule convergono nelle vene e poi nella vena cava che riporta il sangue al cuore attraverso l'atrio destro. Ma questo sangue ha poco O₂, ricco di CO₂, ricco di sostanze di scarto e povero di sostanze nutritive: è il sangue venoso. A questo punto deve nuovamente arricchirsi di O₂ e sostanze nutritive. Questo qui detto è il grande circolo che irrora il tessuto. L'altro circolo è detto piccolo circolo o circolo polmonare che descrive come fa a arricchirsi di O₂ e sostanze nutritive.

Quando il sangue venoso entra nel cuore nell'atrio destro, esso va nel ventricolo destro e attraverso l'arteria polmonare va nei polmoni. I capillari polmonari si liberano di CO₂, si arricchiscono di O₂ e tornano a sangue arterioso. Da qui ritorna al cuore tramite l'atrio sinistro che finisce nel ventricolo sinistro e da qui il grande circolo rinizia tornando nell'aorta ecc. L'arteria polmonare che abbandona il cuore in realtà possa sangue venoso e la vena polmonare che arriva al cuore trasporta sangue arterioso. In parallelo al sistema circolatorio scorre il sistema linfatico avente il compito di recuperare quei liquidi in eccesso che altrimenti ristagnerebbero nei tessuti perché non vengono recuperati subito dai capillari stessi.

Letto capillare / organi sono connessi in parallelo

I rettangoli sono gli organi. Notiamo che essi sono collegati tra di loro in parallelo tranne l'intestino e fegato poiché hanno un collegamento in serie, ossia direttamente tramite la vena porta. Nell'intestino le sostanze nutritive vengono digerite (in sostanza elementari) in sostanze nutritive. Prima di essere messe in circolo devono passare nel fegato direttamente. Dal fegato poi verranno smistate nel sistema circolatorio stesso oppure possono essere accumulate nel fegato come il sacro glucosio trasformato in glicogeno oppure usato per la glicolisi oppure nel ciclo del pentosio fosfato ecc.

Cuore

Il sangue venoso entra nell'atrio destro tramite le vene cave perché abbiamo una vena cava superiore e inferiore. Dall'atrio destro il sangue fluisce nel ventricolo destro e da qui abbandona il cuore fluendo nelle arterie polmonari (che è sangue venoso!!!!). Esso arriverà ai polmoni arricchendosi di O₂ tramite il piccolo circolo. Tramite le vene polmonari poi il sangue ossigenato entra nell'atrio sinistro passando al ventricolo sinistro e da qui nell'arteria aorta iniziando il grande circolo ossia smistato in tutti i tessuti tramite i capillari. Ci sono delle valvole tra atri e ventricoli permettendo loro di comunicare tra di loro. Ci sono 2 valvole atrioventricolari: la tricuspide (di destra) e bicuspide o mitrale (di sinistra). Anche il collegamento tra ventricoli e vasi avviene tramite le valvole: sono le valvole semilunari. Quella che connette il ventricolo destro e l'arteria polmonare si chiama valvola polmonare (o di destra); quella che connette il ventricolo sinistro e aorta si chiama valvola aortica (o di sinistra).

Si chiama tricuspide perché è formata da 3 lembi e quando si uniscono la valvola si chiude quindi 0 comunicazione. La bicuspide perché formata da 2 lembi e lo stesso di prima.

Corde tendinee

A livello delle valvole atrioventricolari ci sono altre strutture: sono le corde tendinee che sono collegate ai muscoli papillari. Questi muscoli permettono, quando la pressione nei ventricoli è maggiore rispetto agli atri, di far chiudere le valvole. Quando la pressione diventa inferiore rispetto agli atri, allora le valvole si aprono.

Pacemakers

Il cuore genera PdA che genera la contrazione. La massa muscolare ha un'attività autolitica, ossia anche se tagliamo tutte le terminazioni nervose, esso pulsa sempre perché c'è un tipo particolare di tessuto collocato in un punto preciso del cuore che permette questa attività: il tessuto pacemakers. Le cellule pacemakers si trovano nel nodo senoatriale (primario), ossia nella porzione anteriore della giunzione tra vena cava superiore e atrio destro. Sono fibrocellule muscolari specializzate che hanno perso la contrazione ma generano ritmicamente e autonomamente PdA. Questi PdA si propagano sino ad un altro nodo che precede i ventricoli chiamato nodo atrioventricolare (secondario) che genera anche questo PdA e si trova all'apertura del seno coronarico (grossa vena che raccoglie il sangue refluo della circolazione coronarica ossia dal ventricolo sinistro all'atrio destro) anteriormente e inferiormente al sito di inserzione della valvola tricuspide. Da qui si dipartono delle fibre chiamate fibre del Purkinje (che hanno perso anche loro la contrazione) che si connettono con sinapsi con la muscolatura dei ventricoli. Così la scarica di PdA che parte dal nodo senoatriale si trasmette al nodo atrioventricolare e poi alle fibre del Purkinje per far contrarre la muscolatura dei ventricoli. Queste cellule sono le cellule Pacemakers.

La funzione del SNA sul cuore è quella di regolare la frequenza con il quale avviene il battito cardiaco oppure l'intensità con la quale la muscolatura si contrae.

Innervazione

Da una parte abbiamo il parasimpatico che agisce sulle cellule pacemakers del nodo senoatriale ed eventualmente sull'altro nodo. Quello ortosimpatico innerva le cellule pacemakers ma anche le fibrocellule muscolari che si contraggono e decontraggono: il tessuto di lavoro, i miociti.

Accoppiamento eccitamento-contrazione (EC) nei miociti ventricolari

Dissecando dei miociti ventricolari ci sono delle striature che sembrano collegare miociti adiacenti: i dischi intercalari, ossia zone di contatto e di adesione tra le estremità delle fibre muscolari cardiache contigue. Queste zone nelle fibrocellule muscolari scheletriche non esistono. Esistono sarcomeri come nel muscolo scheletrico: filamenti sottili di actina e miosina che scorrono gli uni sugli altri.

Somiglianze tra l'accoppiamento EC nel muscolo scheletrico e cuore

• Entrambi sono striati (struttura a sarcomeri) e contengono i tubuli a T e un reticolo sarcoplasmatico altamente sviluppato.
• I PdA forniscono lo stimolo eccitatorio (lungo i tubuli a T e la membrana plasmatica o sarcolemma) utilizzato per attivare i canali del Ca presenti sul sarcolemma stesso.
• I canali del Ca attivati innescano l'apertura dei canali di rilascio del Ca presenti sulla membrana del RS (anche chiamati rianodina).
• L'aumento risultante del Ca intracellulare attiva il meccanismo della contrazione.

Differenze tra i muscoli scheletrico e cardiaco

• Le cellule muscolari cardiache sono più piccole delle scheletriche; hanno un solo nucleo (invece che essere plurinucleate) e sono più ricche di mitocondri dato che intervengono nella contrazione, fatto che sussiste per tutta la vita dell'individuo.
• Il cuore contiene tessuto eccitatorio specializzato (pacemakers nel nodo senoatriale e nodo atrioventricolare) e le fibre di conduzione (fibre di Purkinje).
• Le cellule cardiache adiacenti si connettono tra di loro elettricamente mediante gap junctions (che si trovano nelle sinapsi elettriche).
• Il PdA ventricolare è circa 50/100 volte più lungo (da 250 ai 300 ms) di quello del muscolo scheletrico (3/4 ms).
• Nel meccanismo di accoppiamento EC cardiaco è fondamentale un ingresso di Ca intracellulare. Nel muscolo ciò che era importante era l'accoppiamento meccanico tra il canale al Ca voltaggio-dipendente del sarcolemma dei tubuli a T che fa da tappo al canale di rilascio di Ca sul RS. Infatti, il Ca extracellulare non serve a nulla nel muscolo scheletrico. Nel cardiaco l'ingresso di calcio è di fondamentale importanza (questo meccanismo di rilascio di Ca del RS è dovuto al Ca-induced Ca-release ossia rilascio di Ca indotto dall'arrivo di Ca dall'ambiente extracellulare).

Accoppiamento EC

Se un miocita genera un PdA, si propaga lungo tutta la membrana plasmatica del miocita sino al tubulo trasverso e quindi viene depolarizzata. La depolarizzazione fa aprire i canali al Ca voltaggio-dipendenti avvenendo l'ingresso di Ca extracellulare che permette la fuoriuscita di calcio dal RS. Quindi è importante l'entrata di calcio extracellulare perché innesca la fuoriuscita di Ca dal RS.

Nell'immagine vediamo che i due canali sono uguali a quello del muscolo. Fintanto che non arriva il PdA, i canali del Ca del TT saranno chiusi e il Ca extracellulare non entra. Se avviene depolarizzazione, il Ca extracellulare entra e si lega ai canali di rilascio del calcio sul RS (canali al calcio Ca-dipendenti) facendoli aprire. In questo punto il Ca accumulato nel RS esce aumentando la propria concentrazione a livello del citosol.

Relazione lunghezza-tensione nella contrazione di un muscolo cardiaco

Comparando il muscolo scheletrico a quello cardiaco sappiamo che in questo caso sull'asse delle ordinate abbiamo la tensione in funzione della lunghezza iniziale del sarcomero cardiaco (sull'asse delle ascisse). La lunghezza in condizioni di riposo del sarcomero cardiaco è di 2.08 μm e la forza corrispondente è di 70. Il valore massimo della forza di 140 lo otteniamo quando il sarcomero cardiaco è leggermente stirato a 2.2 μm.

Quindi, la tensione attiva sviluppata nel passaggio dalla fase di rilasciamento a quella di contrazione dipende dalla lunghezza iniziale delle fibre del miocardio. Il motivo va ricercato nel numero di ponti trasversi che i filamenti di actina e le teste della miosina formano tra loro. Nel cuore il numero massimo lo si ha quando il muscolo è parzialmente stirato. In ordinata vediamo la misura della gittata sistolica, ossia la misura della gittata di sangue che il cuore espelle durante una contrazione (sistole). 70 sta per 70 mL.

La quantità di sangue che entra deve corrispondere alla quantità che viene espulsa durante la contrazione.