Fisiologia del sistema cardiovascolare

1

Indice

Introduzione 4

Fisiologia del cuore 5

Differenze con il tessuto muscolare scheletrico 5

Attività elettrica del cuore 6

Potenziale d’azione 6

Refrattarietà 7

Propagazione del potenziale d’azione 7

Ulteriori dettagli sull’elettrofisiologia del cuore 8

Extrasistole 8

Attività meccanica del cuore 9

Fasi del ciclo cardiaco 9

Contrattilità e lavoro del cuore durante il ciclo cardiaco 9

Toni cardiaci 10

Polsi arterioso e venoso 10

Gittata cardiaca 11

Fattori di accoppiamento tra circolo e cuore 11

Regolazione della gittata cardiaca 11

Controllo del cuore 14

Parametri regolati 14

Regolazione dell’attività cardiaca mediata dal sistema nervoso autonomo 14

Riflessi 15

Regolazione umorale 16

Variabilità del ciclo cardiaco 16

Elettrocardiogramma 17

Percorso dell’onda di variazione del potenziale 17

Onde elettrocardiografiche 17

Registrazione dell’ECG 18

Assi delle derivazioni 19

Vettorcardiogramma 19

Asse elettrico medio asse cardiaco

o 19 2

Aritmie 19

Attività automatica fuori dal NSA 20

Sistema vascolare 22

Emodinamica e biofisica del sistema circolatorio 22

Resistenza vascolare 22

Proprietà viscoelastiche dei vasi 23

windkessel

Modello 24

Variazioni di pressione nell’aorta 24

Emoreologia 25

Sistema arterioso 26

Pressione arteriosa 26

Microcircolo 28

Organizzazione morfofunzionale 28

Pressione capillare 28

Scambi microvascolari 30

Meccanismi di trasporto 30

Sistema venoso 32

Organizzazione morfofunzionale 32

Emodinamica 32

Ritorno venoso 32

Regolazione del flusso ematico locale 35

Cenni sulla fisiologia della muscolatura liscia 35

Autoregolazione 35

Fattori metabolici locali 35

Fattori endoteliali 36

Stimolazione dipendente dal flusso 36

Stimolazione nervosa 36

Stimolazione umorale 37

Termoregolazione 37

Regolazione a lungo termine 37

Formulario 3

Introduzione

Questo documento contiene materiale rielaborato da diverse fonti tra cui appunti presi a lezione e libri

di testo.

Nella stesura si è cercato di rendere i concetti il più chiari possibile: non sempre è stato facile. La

fisiologia del sistema cardiovascolare è complessa e richiederebbe di essere trattata, allo stesso tempo,

da più punti di vista.

Poiché questo non è possibile se si vuole trattare gli argomenti con ordine e semplicità, ad una prima

lettura alcuni passaggi potranno sembrare poco chiari o incompleti. Saranno tutti chiariti, o completati,

link

nei capitoli successivi: in questi casi opportuni richiami e aiuteranno ad agevolare la consultazione.

Questi appunti sono scritti e controllati da studenti: nessun docente ha mai verificato la correttezza di

quanto viene esposto. Suggerimenti ed errori possono essere comunicati scrivendo un’email

all’indirizzo seguente: appunti.unimed@gmail.com.

Grazie.

Riproduzione vietata.

L’immagine del cuore in copertina è stata creata da Freepik. 4

- in entrambi l’aumento della [Ca ] intracellulare è mediato

Fisiologia del 2+ recettore per la

da due tipi di canali per il calcio: 1) il

diidropiridina, recettore per la

nel sarcolemma, e 2) il

rianodina, nel reticolo sarcoplasmatico; tuttavia:

cuore - nel M.S. il cambio di conformazione voltaggio-

dipendente del canale (1) si trasmette al canale (2)

provocandone l’apertura: Ca viene liberato quasi

2+

esclusivamente dal reticolo sarcoplasmatico, mentre il

canale (1) funziona più come recettore che non come

Differenze con il tessuto muscolare canale ionico;

-

scheletrico nel miocardio la concentrazione di calcio aumenta

CICR

grazie a un meccanismo detto (Calcium-Induced

cardiomiociti

Il tessuto muscolare cardiaco è composto da Calcium Release): l’apertura del canale (2) avviene in

che assumono un fenotipo differente a seconda che seguito a un precedente, seppur modesto, aumento

appartengano: della [Ca ] locale provocata dall’apertura del canale

2+

- (1).

miocardio di lavoro;

al

- sistema di conduzione.

al

In generale, tutti i cardiomiociti differiscono dalle cellule del

tessuto muscolare scheletrico per i seguenti motivi:

- più piccole

sono cellule (10-15 mm di lunghezza);

- ramificati.

sono frequentemente

Al termine di ogni ramificazione, ogni cardiomiocita entra in

dischi intercalari,

contatto con la cellula adiacente tramite i desmosomi

strutture a livello delle quali si trovano: 1) che

gap

consentono il trasferimento dell’energia meccanica; 2)

junctions che consentono il trasferimento di ioni e piccole

molecole. sincizio funzionale:

gap junctions

Le rendono il cuore un

dato che attraverso di esse possono passare ioni -e quindi

correnti ioniche-, un’onda di depolarizzazione che si generi

in qualunque cellula del miocardio è in grado di propagarsi

passivamente nelle cellule adiacenti, depolarizzandole.

‼ non sono sempre aperte:

Le gap junctions l’apertura dei

loro canali è regolata da diversi fattori tra cui 1) il pH; 2)

[Ca ]; regioni del miocardio colpite da ischemia, infatti,

2+

sono caratterizzate da una minor velocità di trasmissione

del potenziale d’azione (l'accumulo di metaboliti determina

un abbassamento del pH).

miocardio

Si è detto che il comprende le strutture del

miocardio di lavoro sistema di conduzione.

e del

miocardio di lavoro

Le cellule del contengono grandi

quantità di proteine contrattili: mediano, quindi, la

contrazione del cuore.

sistema di conduzione

Le cellule del sono cardiomiociti

specializzati che non contengono proteine contrattili ma che

sono in grado 1) di generare, autonomamente, potenziali

d’azione ritmici e 2) di propagarli a velocità controllata.

Questi aspetti verranno approfonditi successivamente.

Dal punto di vista elettrofisiologico, vanno ricordate alcune

differenze tra i potenziali d’azione che si generano nel

muscolo cardiaco e quelli che insorgono nel muscolo

scheletrico (M.S.):

- il P.A. nel miocardio dura più a lungo (raggiunge i 200-250

ms) rispetto a quello del M.S. (circa 5 ms);

- tale durata è imputabile alla presenza, nel P.A. cardiaco,

plateau

di un di lunghezza variabile nel quale il potenziale

di membrana si assesta su valori intorno a 0 mV; 5

La depolarizzazione che innesca il P.A. è prodotta da

Attività elettrica del particolari correnti depolarizzanti che attraversano la

membrana quando la cellula è a riposo:

cuore - con lievi depolarizzazioni (-60 mV) si aprono i canali Ca v

LVA (T) che generano una corrente depolarizzante

transiente;

sistema di conduzione del cuore

Il è costituito dalle seguenti - quando il potenziale di membrana raggiunge valori

strutture: intorno a -40 mV si aprono i canali HVA (L), con una

- nodo seno-atriale (NSA): pacemaker che genera il cinetica più lenta, che producono una corrente entrante

fisiologico;

potenziale d’azione fronte depolarizzante

che rappresenta il del P.A.

- tessuto di conduzione atriale: permette la propagazione

fascio

del P.A. dal NSA al miocardio atriale; comprende il Fase 1 - Ripolarizzazione parziale precoce

di Bachmann; Cellule a risposta veloce: causata dall’inattivazione dei

- nodo atrio-ventricolare (NAV): permette la propagazione canali Na e dall’apertura di canali voltaggio dipendenti

v

del P.A. al miocardio ventricolare; in esso il P.A. viene K

permeabili a K (corrente ).

+ TO

condotto lentamente, in modo da coordinare la Questa fase non è presente nelle cellule a risposta lenta.

depolarizzazione del miocardio atriale e di quello corrente K Outward)

ventricolare; La (Transient passa attraverso canali

TO

voltaggio-dipendenti che si aprono con la depolarizzazione

- fascio di His e sue branche: conduce rapidamente il e che sono caratterizzati da una rapida cinetica di

P.A. attraverso il setto interventricolare e al miocardio inattivazione: il potenziale di membrana subisce quindi una

branche

ventricolare; le in cui si divide (destra e sinistra) parziale ripolarizzazione fino a circa 0 mV.

cellule di Purkinje

sono costituite da che hanno una

modesta attività ritmica. Nelle cellule di Purkinje è presente anche una corrente Cl .

-

Fase 2 - Plateau

Potenziale d’azione Cellule a risposta veloce: caratterizzata da una corrente al

calcio depolarizzante e da una corrente al potassio

Le cellule del cuore possono essere classificate, sulla base iperpolarizzante che si compensano a vicenda.

delle caratteristiche del P.A. che producono, in:

- risposta lenta,

cellule a dei NSA e NAV;

- Slow Inward)

La corrente Ca (I , è mediata, in questa fase,

2+

risposta veloce,

cellule a del miocardio di lavoro e del SI

canali L

dagli stessi (HVA) che si aprono durante la fase 0

tessuto specifico di conduzione (atriale, fascio di His, (-40 mV) con una cinetica lenta. Gli stessi vanno incontro ad

branche). inattivazione a causa 1) della ripolarizzazione dovuta al

prevalere delle correnti K e 2) dell’aumento della [Ca ]

+ 2+

citoplasmatica. Delayed Rectifier)

La corrente K (I , è mediata da due tipi

+ Kv

di canali che si distinguono per la loro cinetica:

- canali K

i si inattivano lentamente con la

S

ripolarizzazione;

- canali K

i si inattivano rapidamente nella fase 2, per poi

R

riattivarsi durante la fase 3 accelerando la

ripolarizzazione.

Il risultato di questo equilibrio dinamico è il seguente:

Il potenziale d’azione delle cellule cardiache viene -

comunemente suddiviso in 5 fasi. inizialmente, le correnti I e I si elidono a vicenda e il

SI Kv

potenziale di membrana si stabilizza attorno agli 0 mV;

- in seguito la corrente I prevale sulla I a causa 1)

Fase 0 - Depolarizzazione Kv SI

dell’inattivazione dei canali L del Ca e 2) dell’apertura di

2+

canali Na

Cellule a risposta veloce: causata dall’apertura di v un numero sempre maggiore di canali K .

R

simili a quelli presenti nelle cellule eccitabili nervose. ‼ È l’ingresso di calcio che si ha durante il plateau ad

‼ Sebbene alcune cellule (es. cellule di Purkinje) siano innescare la contrazione delle fibre muscolari.

dotate di un'attività ritmica simile a quella delle cellule

nodali, in condizioni fisiologiche queste non dettano il ritmo

di contrazione del cuore: la loro depolarizzazione spontanea Questa fase non è presente nelle cellule a risposta lenta.

avviene lentamente e vengono invase da un P.A. in

potenziale

propagazione prima che venga raggiunto il Fase 3 - Ripolarizzazione

soglia. Cellule a risposta veloce: al termine della fase di plateau si

assiste 1) all’inattivazione dei canali L (I ); 2) a correnti

SI

canali

Cellule a risposta lenta: causata dall’apertura di ripolarizzanti K di intensità crescente.

+

permeabili a Ca .

2+

In queste cellule sono praticamente assenti i canali Na .

v 6

Come si è visto nel paragrafo precedente, queste ultime può essere innescato alcun potenziale d’azione: è detto

periodo refrattario assoluto.

sono condotte da diversi tipi di canali che si aprono in

momenti diversi: Con la ripolarizzazione, aumenta la frazione di canali che

- K

canali (Slow); escono dall’inattivazione; questi stessi canali sono quindi

S

- disponibili per generare un nuovo potenziale d’azione, ma la

K

canali (Rapido);

R corrente depolarizzante necessaria per la loro apertura deve

- K

canali (Ultra-Rapido).

UR avere intensità maggiore rispetto a quella che sarebbe

Nell’ultima fase della ripolarizzazione (-50/-60 mV) si aprono necessaria se la cellula fosse in condizioni di riposo: questo

canali K

anche i , che determinano il potenziale di periodo refrattario relativo,

secondo periodo viene detto e il

IR

membrana a riposo. potenziale d’azione che si genera nella sua durata ha

normale.

caratteristiche diverse da quello

Cellule a risposta lenta: correnti ripolarizzanti al K riportano

+

la cellula al potenziale di riposo. Nella cellula cardiaca il potenziale d’azione deve potersi

gap junctions

propagare alle cellule adiacenti attraverso le

per innescare la contrazione del miocardio. Esiste in queste

Fase 4 - Riposo Depolarizzazione diastolica

o cellule un periodo durante il quale tale potenziale d’azione

Cellule a risposta veloce: il potenziale di membrana è stabile non può essere generato (PRR) o può essere generato, ma

a valori di riposo (circa -90 mV). le sue caratteristiche non sono tali da garantirne la

Il potenziale è determinato da una corrente al potassio periodo refrattario

propagazione. Tale periodo viene detto

K Rectifier):

condotta da canali (Inward effettivo e corrisponde al periodo refrattario assoluto e a

IR

- parte del relativo.

si chiudono con la depolarizzazione e si riaprono con la

ripolarizzazione intorno a valori di -60 mV;

- conducono una corrente uscente e ripolarizzante di ioni Propagazione del potenziale

K che raggiunge la massima intensità durante le ultime

+

fasi della ripolarizzazione, per poi ridursi quando il d’azione

potenziale di membrana si avvicina a E (-90 mV).

K Tempistiche di propagazione

‼ È assai importante che il canale K sia rettificante verso

IR In condizioni fisiologiche il potenziale d’azione cardiaco

l’interno: se così non fosse, durante il potenziale d’azione si nodo seno-atriale.

a risposta lenta

nasce nelle cellule del

avrebbe una forte corrente uscente di ioni K che potrebbe

+ a macchia d’olio

Da questo punto l’impulso si propaga

esaurire la concentrazione intracellulare degli stessi. raggiungendo:

- atri, prima il destro (70 ms) poi il sinistro (90 ms);

Cellule a risposta lenta: non sono in grado di mantenere un - NAV dopo 30 ms tramite tessuto di conduzione specifico.

potenziale di riposo stabile; la fase 4 viene detta di

depolarizzazione diastolica. Il NAV è l’unica via che il potenziale d’azione può percorrere

per raggiungere, dal miocardio atriale, i ventricoli.

Questa è caratterizzata:

- in ritardo

La depolarizzazione dei ventricoli deve avvenire

corrente I

nelle fasi iniziali, da una (funny) condotta da

f rispetto a quella degli atri, in modo che possa completarsi il

canali HCN; riempimento delle camere ventricolari. Tale ritardo è, in

- corrente Ca

nell’ultima fase, da una condotta da canali

2+ condizioni fisiologiche, di circa 120-130 ms; alla sua

T; introduzione partecipano:

- è gradualmente amplificata dall’inattivazione dei canali K + - il NAV (ritardo di 90 ms);

durante la ripolarizzazione della cellula. - il fascio di His (ritardo di 30-40 ms). ventricoli

Di conseguenza, la depolarizzazione dei inizia

canali HCN

I sono cationici e aspecifici. Si aprono con la dopo circa 160 ms rispetto all’istante in cui il P.A. è stato

ripolarizzazione, intorno a -50 mV, e la corrente che generato nel NSA; è completa dopo 190 ms.

conducono (I ) aumenta gradualmente di intensità durante la

f

fase 4. Velocità di conduzione

Quando la corrente I depolarizza la membrana fino a -60

f

canali T

mV si aprono i del Ca che portano il potenziale al

2+ Le tempistiche che sono state esposte nel paragrafo

soglia

valore (-40 mV) per l’apertura dei canali L. precedente sono determinate dalla diversa velocità con cui

le componenti del sistema di conduzione e del miocardio

sono in grado di condurre impulsi elettrici.

L’intensità della corrente I determina la frequenza cardiaca

f La velocità di conduzione dipende da:

attraverso la velocità con cui avviene la depolarizzazione -

spontanea nelle cellule pacemaker. Come si vedrà, ampiezza, forma;

caratteristiche del P.A.:

l’apertura dei canali HCN è regolata dalla [cAMP] - diametro, costante di

caratteristiche della cellula:

intracellulare: a concentrazioni elevate questi canali si spazio, densità di gap junctions, densità di canali Na .

v

aprono a potenziali meno negativi, quindi in anticipo. Di seguito sono riportate le velocità di conduzione relative

Refrattarietà alle varie cellule del cuore.

cellule di NSA e NAV

Le sono piccole, poco ramificate e

In ogni cellula eccitabile esiste un periodo durante il quale i gap junctions. di

hanno poche Poiché il loro potenziale

canali voltaggio-dipendenti del sodio sono inattivati, e non riposo si aggira intorno ai -60 mV, il P.A. che producono ha

7

un’ampiezza relativamente piccola; inoltre, i canali L che un’iperpolarizzazione del potenziale di membrana più

conducono la corrente depolarizzante hanno una cinetica importante.

lenta. Q u e s t o e ff e t t o è re s p o n s a b i l e d e l l a c o s i d d e t t a

soppressione da overdrive:

Di conseguenza, la loro velocità di conduzione è bassa: se un cardiomiocita viene

- stimolato ad alta frequenza (come durante una tachicardia

0.05 m/s nel NSA; parossistica), nel momento in cui riprende la stimolazione

- 0.02 m/s nel NAV. normale la cellula cessa di scaricare P.A. per qualche

cellule del miocardio proprio

Le sono grandi, ramificate e istante. A causa dell’iperpolarizzazione indotta dalla pompa

gap junctions.

ricche di Il loro potenziale di riposo è circa durante la fase di tachicardia, infatti, la cellula è meno

-90 mV nei ventricoli (-70 mV negli atri), quindi il P.A. è più eccitabile finché opportune correnti depolarizzanti riportano

ampio; la corrente depolarizzante Na è condotta da canali

+ il potenziale di membrana a valori di riposo.

a cinetica rapida.

Di conseguenza, nel miocardio proprio