Fisiologia sistema cardiovascolare

Fisiologia del sistema cardio-circolatorio

Introduzione al sistema cardio-circolatorio

Perché è necessario avere un sistema circolatorio? Un sistema circolatorio è un sistema di condotti e vasi che sono ripieni di liquido (sangue o emolinfa) che può scorrere grazie a un sistema di propulsione generato dalla pompa, il cuore, generando un flusso di massa. La circolazione dei vasi che si ramificano e raggiungono tutti gli organi e tessuti, permette l’arrivo di O₂, sostanze nutritive, rimozione dei prodotti di scarto, trasporto di cellule (es. linfociti), di messaggi (es. ormoni), e la termoregolazione.

Inoltre, quanto tempo impiegherebbe l’O₂ a diffondere dalla periferia al centro di un’ameba, se il suo raggio è di 0.01 cm? 2T = r² / 2 d = 5s con r = distanza; d = coefficiente di diffusione del liquido (acqua). Se invece considero un topo idealizzato con un raggio di 2 cm allora il tempo = 56 h! Quindi il semplice processo di diffusione non basterebbe per irrorare un organismo multicellulare.

Allora interviene il flusso di massa che è accoppiato alla diffusione, ma solo nelle ultime fasi dei liquidi interstiziali.

Flusso di massa

La diffusione sarebbe troppo lenta per le cellule centrali, invece il flusso di massa seguito dalla diffusione assicura un corretto apporto e ricircolo. Considero: recipienti con volumi diversi di liquido collegati da un condotto, fisicamente si osserva che il liquido nel recipiente a maggior volume e pressione, esercita un flusso netto, detto flusso di massa (L/s) verso il recipiente a minor volume. Se invece i due recipienti contengono la stessa quantità di liquido, allora le pressioni sono le stesse e non si ha un flusso netto (=0).

Il flusso di massa è uguale al gradiente pressorio, ovvero alla differenza di pressione tra i due compartimenti a meno di una costante K_m: F_m = K_m x ΔP. K_m = costante di proporzionalità che dipende dalla viscosità della soluzione, tanto più viscoso il fluido, tanto più esso influenza negativamente il flusso (es. olio e acqua), dalla geometria del condotto e dalla sezione trasversale del condotto, tanto più grande il condotto tanto maggiore il flusso.

Cosa permette il fluire del sangue?

• Cuore/i
• Movimenti corporei: movimenti degli arti o dei muscoli scheletrici
• Vasi sanguigni: in particolare della muscolatura liscia e delle valvole che determinano la direzione del flusso unidirezionale. Sono presenti nelle grosse vene, perché hanno bassa pressione.

Come vengono classificati i sistemi circolatori?

Circolazione aperta e chiusa

Aperto: (Invertebrati) Esiste un elemento propulsore (cuore), che determina un flusso di emolinfa, collegato a dei vasi, che non si richiudono su sé stessi e il contenuto si riversa nell’emocelio (lacune), che rappresenta il 20/40% dell’intero volume corporeo: l’emolinfa ritorna in circolo per azione di risucchio. È necessario o possibile un basso controllo da parte del SN, quindi non ci sono possibilità di controllare la pressione sanguigna in modo fine. I processi di ultrafiltrazione (dai vasi ai tessuti) sono difficili e deficitari, a causa di una pressione bassa. Limitata capacità di alterare il flusso sanguigno. Bassa capacità di avere un metabolismo aerobico.

Chiuso: (Vertebrati) Pompa rappresentata sempre dal cuore, che spinge il flusso sanguigno nei vasi che costituiscono un sistema di tubi, nel quale circola il sangue grazie alle differenze di pressione tra liquidi interstiziali e plasma. Accade che parte del liquido riversato negli interstizi viene riassorbito e parte invece ristagna all’interno di questi, che provocherebbe un edema (rigonfiamento di tessuti), se non fosse per il sistema linfatico, che permette un riassorbimento comunicando con il sistema circolatorio. Si verifica l’ultrafiltrazione e il processo di scambio di O₂. La presenza di vasi chiusi determina pressioni più elevate e maggiore possibilità di scambi con i tessuti. È possibile un controllo maggiore e fine da parte del SNC.

Cuore

Il cuore è la pompa emodinamica che spinge nel circolo dei vasi sanguigni il flusso di sangue necessario alle richieste respiratorie e metaboliche dei tessuti. Attribuite ai miociti cardiaci, sono le 4 proprietà: eccitabilità, conduttività, contrattilità e ritmicità.

Meccanismo: Il sangue venoso arriva nell’atrio destro attraverso le vene cave superiore e inferiore, per poi fluire attraverso la valvola atrio-ventricolare tricuspide (costituita da 3 lembi) nel ventricolo destro, dove successivamente è pompato verso la valvola polmonare semilunare nell’arteria polmonare, confluente a livello dei polmoni, dove viene ossigenato. Il sangue arterioso ossigenato ritorna all’atrio sinistro del cuore tramite le vene polmonari; tramite la valvola atrio-ventricolare mitrale (costituita da 2 lembi) fluisce nel ventricolo sinistro, da dove eiettandosi attraverso la valvola aortica semilunare, defluisce nell’arteria aorta.

Le valvole, per permettere l’apertura e la chiusura, sono connesse a dei muscoli, detti muscoli papillari, collegati tramite tendini o corde tendinee. Le cellule pacemakers sono cellule che hanno perso ogni capacità di contrarsi (miociti atriali o ventricolari) ma sono dotate di uno spiccato automatismo (capacità autoritmica), e si trovano a livello del nodo senoatriale di Keith e Flack (SA), situato nella parte superiore dell’atrio destro vicino alla vena cava superiore e a livello del nodo atrio-ventricolare di Tawara (AV), in prossimità del setto centrale; i pacemakers del nodo AV però sono in grado di generare solo in caso di necessità PdA spontanei, ovvero nel caso in cui le cellule del nodo SA non siano più in grado di indurlo.

I pacemakers sono in grado di generare PdA, che stimola un’attività auto-ritmica spontanea non dipendente dal SNA: quindi il cuore batterebbe lo stesso anche se fossero recise tutte le terminazioni con il SN. Dalle cellule del nodo SA si propaga un impulso nella muscolatura degli atri, in particolare nei miociti atriali (cellule del miocardio separate dai dischi intercalari) che stimolati generano a loro volta PdA, e anche alle cellule pacemakers nella parte centrale del cuore del fascio di His AV. Dal nodo AV tramite il fascio di His, il quale separa gli atri dai ventricoli per poi continuare nel setto interventricolare dividendosi in due branche principali e poi in ramificazioni sempre minori, fino ad assumere la forma di sottili fibre del purkinje, l’impulso arriva ai miociti ventricolari potenzialmente eccitabili, innescando la contrazione ventricolare.

Il SNA innerva comunque il cuore attraverso una via ortosimpatica, che innerva i pacemakers e i miociti ventricolari, utile nell’aumentare la frequenza cardiaca e la forza di contrazione della muscolatura ventricolare e una via parasimpatica, che innerva il nodo SA e nodo AV (pacemakers), utile nel ridurre la frequenza cardiaca.

Sistema circolatorio

Il circolo è definito doppio, perché è costituito da un circolo polmonare (piccolo circolo) che porta e raccoglie il sangue ai e dai polmoni e da un circolo sistemico (grande circolo) che invece porta e raccoglie il sangue a e da tutti gli altri tessuti. Sia il grande che il piccolo circolo comprendono:

• Un sistema vasale di distribuzione = sistema arterioso
• Un sistema vasale di scambio = vasi capillari che si distribuiscono agli organi respiratori e a tutti i tessuti
• Un sistema vasale di raccolta = sistema venoso del sangue refluo

È uso definire il sangue venoso, il sangue refluo dai tessuti cioè povero di O₂ e ricco di CO₂ e il sangue arterioso, il sangue refluo dai polmoni ricco di O₂ e povero di CO₂. I due circoli sono percorsi dal sangue in serie, cui deriva che il volume di sangue che viene pompato attraverso un circuito deve essere uguale al sangue che viene pompato dall’altro: la gittata cardiaca di sinistra = gittata cardiaca di destra.

Grande circolo (tessuti ossigenati)

Dal ventricolo sinistro il sangue fluisce con l’arteria aorta, un grande vaso che si ramifica originando arterie di diametro inferiore, che a loro volta formano arteriole, che comunicano con i capillari. In ciascun capillare si distingue una componente arteriosa e una componente venosa, tra le quali avvengono gli scambi e si realizza (venosa) un accumulo di sostanze di scarto (catabolismo cellulare) che verranno portate via attraverso le venule, poi vene fino ad arrivare alla vena cava nell’atrio destro del cuore che comunica con il ventricolo destro.

Piccolo circolo o circolo polmonare

Inizia con l’arteria polmonare comunicante con il ventricolo destro, che si dirama formando arteriole e capillari a livello degli alveoli polmonari, in cui il sangue si riarricchisce di ossigeno (venoso). Seguono poi le venule, vene e poi attraverso la vena polmonare il sangue arterioso arriva nell’atrio sinistro da dove fluisce nel ventricolo sinistro del grande circolo. Nel letto capillare gli organi sono connessi in parallelo.

Differenze tra muscolo scheletrico e muscolo cardiaco

• Il muscolo scheletrico è striato e contiene tubuli T e un RS altamente sviluppato
• I PdA forniscono lo stimolo eccitatorio utilizzato per attivare i canali del Ca²⁺ del sarcolemma (o DHPRs)
• I canali del Ca²⁺ attivati, sulla membrana dei tubuli T, innescano l’apertura dei canali di rilascio del Ca²⁺ del RS
• L’aumento risultante del Ca²⁺ intracellulare attiva il meccanismo della contrazione

Fibrocellule più piccole e mononucleate, miociti piccoli e mononucleati, comunicanti tra di loro, attivate da un input del motoneurone α, maggiormente ricchi di mitocondri, si connettono tra loro elettricamente mediante gap junctions, dette dischi intercalari. Contiene un tessuto eccitatorio specializzato, come il nodo SA e nodo/AV, fibre di conduzione del purkinje.

Durata del PdA

Il PA ventricolare è circa 100x più lungo, per una durata di circa 250 ms. Fondamentale è il flusso di ioni Ca²⁺ dai canali del sarcolemma al RS, attivati dalla depolarizzazione. È ininfluente la presenza di un flusso di Ca²⁺ extracellulare. Forza di contrazione/di tensione allo stato di rilassamento è massima (100%).

Meccanismo: accoppiamento EC nei miociti ventricolari

Un miocita genera un PdA, che tramite le gap junctions viene propagato alle cellule adiacenti, al livello dei tubuli a T, dove si trovano canali al Ca²⁺-voltaggio dipendenti che si aprono alla depolarizzazione, permettendo l’ingresso di Ca²⁺ dall’ambiente extracellulare: la concentrazione è circa 1.5 mM, maggiore quindi al citosol. Gli ioni Ca²⁺ entrati dai canali voltaggio-dipendenti si legano ai canali di rilascio del Ca²⁺, situati a livello del RS, permettendone la pervietà e il rilascio secondo il gradiente di concentrazione.

Relazione lunghezza-tensione nella contrazione

Si definisce gittata sistolica (GS) la gittata di sangue, ovvero la quantità, che il cuore è in grado di pompare attraverso i vasi per ogni battito. Ma la quantità massimale che il ventricolo è in grado di espellere è di 140 mL, con lunghezza del sarcomero di 2.2 µm (leggermente stirato con forza superiore alla contrazione):

• Per lunghezze del sarcomero superiori a 2.4 µm, la curva decresce (troppo stirato)
• Per lunghezze inferiori ai 2.2 µm, qualora sia contratta, la gittata sistolica diminuirebbe

Pertanto il cuore è in grado di giocare sul grado di stiramento dei miociti delle pareti rispetto alla quantità di sangue entrante, dilatando le pareti e raddoppiando la GS per aumentare l’apporto di O₂ e viceversa. Il muscolo cardiaco, come quello scheletrico, ha una ben definita relazione tensione/forza. La tensione - lunghezza: esiste una lunghezza ottimale alla quale la forza della contrazione è espressa in massima. Ma, mentre il muscolo scheletrico lavora vicino alla sua lunghezza ottimale, le fibre miocardiche del cuore normale hanno una lunghezza inferiore rispetto a quella ottimale per la contrazione, ovvero possono eseguire una contrazione graduata: varia la quantità di forza che genera. La forza è proporzionale al numero di ponti trasversali attivi, che è in parte direttamente proporzionale alla [Ca²⁺] intra.

Elettrofisiologia del cuore

Ci sono 4 importanti caratteristiche elettriche dei PdA cardiaci:

1. Depolarizzazione spontanea: potenziale pacemaker, innervazione neuronale non richiesta. Il potenziale di membrana si riduce, si annulla e inverte di segno fino a raggiungere i +20/+30 mV (overshoot = eccedenza) per un breve periodo.
2. Propagazione tra le cellule: sincizio elettricamente accoppiato, a livello dei miociti. Assicurano un’attività ritmica continua.
3. Fase di plateau lunga nei miociti (~200 ms): La ripolarizzazione subisce un marcato rallentamento, in cui il V rimane intorno al valore zero, dura circa 100/300 ms. Assicura una forte contrazione: sommazione delle singole contrazioni, è impedito il tetano muscolare.
4. Periodo di refrattarietà lungo nei miociti con ripolarizzazione: La membrana riacquista il suo normale potenziale di riposo -80/-90 mV e lo mantiene per tutto il periodo diastolico. Previene la formazione di scosse muscolari semplici.

Flusso dell’attività elettrica cardiaca

Le cellule pacemakers primarie del nodo SA stabiliscono il ritmo cardiaco (battito): La fase di risalita e depolarizzazione è dovuta all’apertura dei canali del Ca²⁺ voltaggio-dipendenti di tipo T, cui segue un picco positivo: il PdA generato dura circa 200 ms. Successivamente la ripolarizzazione negativa avviene grazie ai canali al K⁺-dipendenti, che tendono ad inattivarsi in concomitanza (con fuoriuscita di K⁺).

Non hanno potenziale di riposo, infatti si ha un prepotenziale di lenta risalita preparatorio al PdA successivo. L’impulso con genesi di PdA si propaga alla muscolatura atriale permettendo la contrazione.

Potenziale d’azione nel muscolo atriale

La depolarizzazione è molto rapida e causata dall’apertura di canali al Na⁺ voltaggio-dipendenti, fino al raggiungimento del picco, in cui sono inattivati in favore della conduttanza al K⁺ responsabile della parziale ripolarizzazione. Ma la spalla Ca²⁺ rallenta la ripolarizzazione negativa, dovuta all’apertura di canali al voltaggio-dipendenti di tipo L, che grazie all’entrata dei cationi mantengono sufficientemente depolarizzato il PdM. Successivamente si ha la ripolarizzazione K⁺-dipendente. Qui si ha anche un potenziale di riposo compreso tra i valori di -80 mV/-90 mV. Si ha la contrazione e conduzione.

Cellule pacemakers del nodo AV

Le cellule pacemakers del nodo AV ricevono il PdA con un certo ritardo: È simile al nodo SA, infatti se sovrappongo le due curve, l’unica differenza che si nota è nel prepotenziale, che risulta più lento nella risalita, traducibile in una conduzione lenta/ritardo nel raggiungere il valore soglia del PdM necessario per aprire i canali al Ca²⁺ voltaggio-dipendenti di tipo T, corrispondentemente alla contrazione. Ha ritmo latente, ovvero si possono sostituire alle pacemakers del nodo SA.

Potenziale d’azione delle fibre del Purkinje

Il PdA delle fibre del purkinje è simile per andamento temporale ai miociti ventricolari, con durata di circa 300 ms. La depolarizzazione è rapida e Na⁺-dipendente, con picco e conduzione rapida.