Fisiologia - Sistema Cardiovascolare

IL CUORE

Il cuore è un organo cavo posto nella cavità toracica, dietro lo sterno e le cartilagini costali e

davanti la colonna vertebrale, poggiato sul diaframma. E' l'organo centrale dell'apparato

cardiocircolatorio; funge da pompa capace di produrre una pressione sufficiente a permettere la

circolazione del sangue. E' costituito da 4 cavità: 2 atri e 2 ventricoli; ciascun atrio comunica

con il ventricolo tramite una valvola atrio-ventricolare (bicuspide o mitrale a sinistra, e

tricuspide a destra); gli atri e i ventricoli sono dividi da setti interatriali e interventricolari. Dal

ventricolo sinistro, con interposizione della valvola semilunare, si diparte l'aorta. Dal ventricolo

destro, con interposizione della valvola semilunare, si diparte l'arteria polmonare. All'atrio

sinistro arrivano 4 vene polmonari. All'atrio destro arrivano 2 vene cave.

Il pericardio è una membrana, una sierosa, che avvolge il cuore; è costituito da 2 foglietti, il

foglietto viscerale, aderente al cuore, ed il foglietto parietale, aderente alle strutture del

mediastino; tra i 2 foglietti è presente un liquido viscoso. Sotto il pericardio si trovano 3

tonache, una interna all'altra, che costituiscono le pareti del cuore. Più esternamente vi è

l'epicardio, costituito da tessuto connettivo, contenente capillari sanguigni, capillari linfatici e

fibre nervose; subito sotto vi è il miocardio, formato da fibre muscolari cardiache,

ordinatamente orientate in modo da permettere la corretta contrazione; nella parte più interna

si trova l'endocardio, che costituisce un rivestimento protettivo formato da cellule epiteliali.

Alla base dei ventricoli, a livello delle valvole atrio-ventricolari, sono presenti degli anelli fibrosi;

su questi anelli si inserisce la muscolatura dei ventricoli e degli atri. Gli anelli fibrosi dividono la

muscolatura degli atri da quella dei ventricoli, e costituiscono un punto di appoggio per la

muscolatura atriale e ventricolare; ad essi si inseriscono le cuspidi delle valvole atrio-ventricolari.

Le cellule miocardiche sono mononucleate; pertanto non sono plasmodi. Tuttavia, presentano

numerose gap junctions, che permettono il passaggio di sostanze (ioni compresi) da una cellula

all'altra. Si distingue un miocardio di lavoro, o miocardio comune, da un miocardio nodale e di

conduzione. Il miocardio di lavoro è simile alle fibre muscolari scheletriche; il miocardio nodale

e il miocardio di conduzione è costituito dal nodo seno-atriale o nodo del seno (sulla parete

posteriore dell'atrio destro, allo sbocco della cava superiore), dalle vie internodali anteriore,

media e posteriore (via interatriale), dal nodo atrio-ventricolare, dal fascio di His, e da

ramificazioni sino alle fibre del Purkinje. Le cellule del miocardio nodale e di conduzione sono

più ricche di glicogeno e più povere di proteine contrattili rispetto a quelle del miocardio di

lavoro; questo aspetto è più evidente nelle cellule dei nodi seno-atriali.

Il parasimpatico e l'ortosimpatico innervano il cuore. Il parasimpatico innerva il cuore tramite

fibre pregangliari che partono dal nucleo motorio del vago; fanno sinapsi in gangli posti in

prossimità degli atri; da qui partono fibre postgangliari brevi che terminano nel miocardio atriale

e nel tessuto di conduzione atriale. Il nodo seno-atriale è innervato prevalentemente dal vago di

destra. Il nodo atrio-ventricolare è innervato invece dal vago di sinistra. L'ortosimpatico innerva

il cuore tramite fibre pregangliari che partono dalle corna laterali dei primi 4-5 segmenti del

midollo toracico; fanno sinapsi nei gangli cervicali superiore, medio ed inferiore; da qui partono

fibre postgangliari che terminano in tutto il miocardio. Il nodo seno-atriale è innervato dai rami

ortosimpatici di destra. Il nodo atrio-ventricolare e il fascio di His sono innervati dai rami

ortosimpatici di sinistra.

Durante la diastole, il cuore deve ripristinare completamente l'ATP speso durante la sistole. A

causa di ciò, le cellule sono particolarmente ricche in mitocondri, e quindi è molto alto il

metabolismo ossidativo. I substrati preferenziali (70%) sono gli acidi grassi, con possibilità di

ottenere ATP anche in caso di ridotta utilizzazione di glucosio (diabete). In caso di ipossia, si

mette in atto il metabolismo anaerobico, con riduzione di ATP e CP, aumento del lattato,

2+

riduzione del pH e riduzione della liberazione di Ca dal reticolo sarcoplasmatico.

Le proprietà del miocardio sono: contrattilità (inotropismo), eccitabilità (batmotropismo),

conducibilità (dromotropismo), refrattarietà e automatismo (cronotropismo).

ATTIVITA' ELETTRICA DEL CUORE

Riferendosi al muscolo cardiaco, esso sembra sotto molti aspetti una singola cellula, anche se il

microscopio elettronico mostra che il miocardio è costituito da molti elementi indipendenti. In

realtà, funzionalmente sembra un sincizio (fusione fra 2 o più cellule); in questo caso, le cellule

adiacenti formano una connessione elettrica.

Una delle proprietà del miocardio, correlate alla sua attività elettrica, è l'eccitabilità, ovvero la

capacità di rispondere ad una stimolazione elettrica. Lo stimolo elettrico, proveniente dal nodo

del seno o da una cellula vicina, provoca l'insorgenza di un potenziale d'azione, che costituisce

la manifestazione elettrica del fenomeno; la conseguenza dell'insorgenza di tale potenziale

d'azione provoca la contrazione del muscolo cardiaco, che rappresenta invece la manifestazione

meccanica del fenomeno. Durante uno stimolo elettrico, il primo fenomeno a cui si assiste è

una depolarizzazione, nella quale il potenziale di membrana si inverte di segno e arriva fino a

circa + 20-30 mV; a seguire, la membrana si trova in una fase di plateau, in cui rimane

depolarizzata intorno a 0 mV per circa 200 ms; si ha infine un fase finale di ripolarizzazione,

nella quale la membrana riacquista il potenziale d'azione; questo tipo di potenziale d'azione è

molto diverso dal potenziale d'azione del muscolo scheletrico. +

Nella cellula miocardica a riposo sono presenti canali ionici per K che sono aperti (canali K

+

anomali o inward rectifiers); la corrente uscente di K è responsabile di un valore del potenziale

di membrana basso, intorno a -90 mV. Uno stimolo elettrico provoca apertura rapida di canali

+

per Na+ voltaggio-dipendenti, con conseguente ingresso massivo di Na ed inversione del

potenziale; i canali per Na+ si chiudono (inattivazione) quando il potenziale d'azione arriva

all'eccedenza (+ 20 mV). A questo punto, la chiusura dei canali K anomali (con mancata uscita

+ 2+

di K ) e l'apertura dei canali per Ca voltaggio-dipendenti (che dura nel tempo e permette

2+

l'ingresso di Ca ), provoca il mantenimento per molto tempo di un potenziale prossimo allo 0

+ +

(fase di plateau). La bassa permeabilità della membrana al K impedisce l'uscita di K , che non

2+

può ripolarizzare la membrana; anche la lenta chiusura dei canali per il Ca , che si chiudono in

+

ritardo rispetto a quelli per Na , ritarda ulteriormente la ripolarizzazione. L'apertura tardiva di

+

altri canali per K voltaggio-dipendenti (tardivi), che si comportano esattamente come i canali

+

per il K voltaggio-dipendenti delle fibre muscolari scheletriche e delle cellule nervose, avvia la

fase di ripolarizzazione.

Una seconda proprietà del miocardio, correlata alla sua attività elettrica, è la ritmicità o

automatismo, ovvero la capacità di generare autonomamente (non per stimoli nervosi) e

ritmicamente un potenziale d'azione e la conseguente contrazione. Le cellule del miocardio

nodale e di conduzione, diversamente da quelle del miocardio di lavoro, sono incapaci di

mantenere a riposo un potenziale di membrana stabile. Ciò conferisce ad esse una capacità

autoritmica (il cuore isolato di rana, posto in soluzione fisiologica, continua a battere). Nelle

cellule nodali, che hanno un potenziale di membrana di – 60 mV, la membrana si depolarizza

spontaneamente, dando origine ad un prepotenziale (- 40 mV); maggiore è la velocità di

depolarizzazione, maggiore sarà l'inclinazione del prepotenziale, prima si avrà il potenziale

d'azione e maggiore sarà la frequenza del potenziale d'azione.

Nel cuore integro, le cellule sono unite tramite giunzioni gap; l'eccitamento insorto in una

cellula si propaga alle altre cellule vicine; la cellula con frequenza di depolarizzazione maggiore

impone il proprio ritmo al resto del tessuto di conduzione (legge della dominanza del ritmo più

frequente).

Tutte le cellule del sistema di conduzione hanno un potenziale di membrana instabile. Tuttavia,

nelle cellule del nodo seno-atriale la frequenza delle depolarizzazioni è maggiore che nelle altre

cellule del tessuto di conduzione; tali cellule, quindi, costituiscono il naturale pacemaker del

cuore, poiché hanno l'importantissima funzione di dare origine agli stimoli elettrici, che si

trasmettono successivamente al tessuto muscolare dell'atrio provocandone l'attivazione con

conseguente contrazione atriale. A loro volta, le cellule del nodo atrio-ventricolare hanno una

frequenza di depolarizzazione maggiore delle cellule del fascio di His. Le cellule del fascio di His

poste a un dato livello hanno una frequenza di depolarizzazione maggiore di quella della altre

cellule del fascio di His poste a valle.

La legatura che separa il nodo seno-atriale da quello atrio-ventricolare (legature di Stannius) fa

sì che la contrazione dei ventricoli avvenga ad una frequenza dettata dal nodo atrio-

ventricolare. A sua volta, la legatura che separa il nodo atrio-ventricolare dal fascio di His fa sì

che la contrazione dei ventricoli avvenga ad una frequenza dettata dalle cellule del fascio di His

poste a valle della legatura. La distruzione del nodo del seno provoca una caduta di frequenza

della contrazione dei ventricoli da 70 a 35 battiti al minuto (frequenza del nodo atrio-

ventricolare). La distruzione del nodo atrio-ventricolare riduce ancora la frequenza (frequenza

delle cellule del fascio di His). La sezione del fascio di His riduce ulteriormente la frequenza.

Isolando le diverse parti del tessuto di conduzione, quindi, si nota che la frequenza delle

depolarizzazioni è massima nel nodo seno-atriale, si riduce nel nodo atrio-ventricolare e si

riduce ancora progressivamente procedendo lungo il fascio di His.

Rispetto al potenziale d'azione delle fibrocellule del miocardio di lavoro, il potenziale d'azione

delle fibrocellule del nodo del seno insorge spontaneamente, ha un prepotenziale, insorge più

lentamente (picco dopo 50-60 ms), è meno ampio, non ha il plateau, e ha una ripolarizzazione

più lenta (dopo 220 ms).

Nelle cellule del miocardio nodale, mancano i canali K anomali, e manca quindi la corrente

+

uscente di K ; di conseguenza, il valore del potenziale di membrana non arriva mai a valori bassi.

Nelle cellule del miocardio nodale sono invece presenti canali cationici aspecifici che si aprono

quando il potenziale di membrana scende alla fine della ripolarizzazione (canali f). A – 60 mV

+

sono tutti aperti. La loro apertura determina un lento e temporaneo ingresso di Na (avendo

+

una cinetica molto lenta si inattivano presto); tale ingresso lento e temporaneo di Na provoca

2+

l'insorgenza lenta e spontanea del prepotenziale. A – 40 mV si ha l'apertura dei canali per Ca

2+

voltaggio-dipendenti, con conseguente eccedenza; l'eccedenza è causa dall'ingresso di Ca e

+ 2+

non di Na (ampiezza ridotta). L'inattivazione dei canali per Ca e il basso numero dei canali K

tardivi provocano una lenta ripolarizzare, senza plateau.

La refrattarietà è un'altra proprietà del miocardio correlata all'attività elettrica; essa consiste

nell'incapacità delle fibrocellule di rispondere a stimoli quando la membrana è depolarizzata. Se

la cellula miocardica è depolarizzata, i canali per Na+ sono aperti, per cui non è eccitabile da altri

stimoli, qualunque sia la loro intensità (refrattarietà assoluta). Questo periodo corrisponde alla

fase di depolarizzazione e all'inizio della fase di ripolarizzazione (fino a - 50 mV); è quindi in

relazione con la durata del potenziale d'azione; la refrattarietà assoluta durerà di meno nelle

cellule pacemaker e di più nelle cellule del tessuto di conduzione e di lavoro. Nel muscolo

scheletrico la durata della refrattarietà è breve (assenza di plateau) e termina prima che il

muscolo inizi a contrarsi; se il secondo stimolo cade al di fuori del periodo refrattario, il suo

effetto si sommerà a quello del primo stimolo (il muscolo scheletrico è tetanizzabile). A causa

della presenza del plateau, la durata della refrattarietà nel muscolo cardiaco è lunga e termina

quasi quando il cuore ha già finito di contrarsi; per quasi tutto il tempo in cui c'è la contrazione,

le cellule cardiache non sono eccitabili, perché è ancora presente il potenziale d'azione (il cuore

non è tetanizzabile). Quando il potenziale d'azione si avvicina al potenziale di riposo, alcuni

+ +

canali per Na sono attivi ed è possibile rieccitare la cellula. Non tutti i canali Na sono però

attivi, e quindi lo stimolo deve avere un'intensità elevata; inoltre, i canali K tardivi cominciano

+

ad aprirsi e il flusso di K verso l'esterno si oppone ad una nuova depolarizzazione. Quindi, dopo

il periodo refrattario assoluto, il miocardio è eccitabile ma con stimoli di intensità elevata

(refrattarietà relativa). Uno stimolo che raggiunge il miocardio in periodo di refrattarietà

+

relativa, nel quale non tutti i canali per Na sono attivi, manca della fase rapida di

depolarizzazione; il potenziale d'azione si mostra simile al potenziale d'azione generato nelle

2+

cellule pacemaker, ovvero di minore ampiezza (extrasistole); i canali per Ca hanno iniziato a

2+

chiudersi e quindi meno Ca entra nei cardiomiociti; di conseguenza la forza generata dalla

contrazione conseguente all'extrasistole è minore. Un potenziale d'azione proveniente dal nodo

seno-atriale che raggiunge la zona dove si è generata un'extrasistole trova le cellule in periodo

refrattario assoluto; non si genera un potenziale d'azione fino all'arrivo di un altro potenziale

d'azione proveniente dal nodo del seno (pausa compensatoria).

Una quarta ed ultima proprietà elettrica del miocardio è la conducibilità. Nel muscolo

scheletrico ogni singola fibra è indipendente da un punto di vista anatomico e funzionale, ed

ogni singola fibra segue la legge del tutto o nulla, ma il muscolo in toto non segue tale legge.

Nel muscolo cardiaco, le fibrocellule muscolari cardiache sono indipendenti anatomicamente

ma non funzionalmente; si ha una bassa resistenza elettrica, e l'eccitamento passa facilmente da

una fibrocellula all'altra, con una velocità direttamente correlata col diametro delle fibrocellule;

il cuore si comporta come se fosse una sola unità (sincizio funzionale), e segue la legge del

tutto o nulla. La conduzione avviene guidata dalle cellule del miocardio di conduzione. La

velocità di conduzione dipende, come nelle fibre nervose, dal diametro delle cellule; esso è

maggiore nei ventricoli (le cellule del fascio di His hanno un diametro maggiore), mentre è

minore nel nodo atrio-ventricolare, che presenta cellule sottili, causando un rallentamento della

propagazione dell'eccitamento da atri a ventricoli (ritardo).

L'eccitamento insorge nel nodo del seno e si propaga negli atri. Il nodo atrio-ventricolare è

raggiunto prima che l'eccitamento coinvolga tutti gli atri, per maggiore conduttività di fasci

cellulari atriali (vie preferenziali internodali). Nel nodo atrio-ventricolare si ha un

rallentamento (velocità 0,1 m/s) perché le fibrocellule del tessuto di conduzione sono più

sottili. L'atrio è diviso dai ventricoli dall'anello fibroso; l'unica struttura che unisce

funzionalmente atri e ventricoli è il fascio di His. L'invasione ventricolare da parte

dell'eccitamento avviene tramite il fascio di His. Inizialmente è attivato il setto interventricolare;

l'attivazione raggiunge l'apice dei ventricoli e successivamente la base dei ventricoli, quindi dagli

strati più profondi a quelli più superficiali.

ATTIVITA' MECCANICA DEL CUORE

La principale caratteristica del cuore, riguardante la sua attività meccanica, è la contrattilità. Essa

è descritta da 3 principali parametri: la durata, la velocità e la forza.

Nel muscolo scheletrico, in corrispondenza della banda A sono presenti molti tubuli T, mentre

nel reticolo sarcoplasmatico sono presenti molte cisterne; a livello dei tubuli T sono presenti

+

canali DHPR, dai quali entrano correnti di Na , provocando depolarizzazione dei tubuli T ed

2+

attivazione dei canali RYR (molto vicini ai canali DHPR), con liberazione di Ca dal reticolo

sarcoplasmatico. Nel muscolo cardiaco si ha un minor numero di tubuli T in corrispondenza

della stria Z; il reticolo sarcoplasmatico si presenta con molto reticolo longitudinale e poche

cisterne; i canali DHPR sono presenti in tutto il sarcolemma; questi vengono attivati dalla

+

depolarizzazione derivante dalle correnti entranti di Na a livello dei tubuli T; l'attivazione dei

2+

canali DHPR determina l'ingresso di Ca , con attivazione dei canali RYR vicini e poi di quelli più

2+

lontani, e finale liberazione di Ca dal reticolo sarcoplasmatico e contrazione. Nel muscolo

scheletrico la contrazione è più rapida, mentre in quello cardiaco è di maggiore durata, per via

della maggiore durata del potenziale d'azione.

Per quanto riguarda la forza di contrazione, bisogna ricordare che il cuore è un sincizio

funzi