Fisiologia umana I - attività elettrica del cuore

Fisiologia lezione 8 del 16/04/2012

Chiarimento sul ciclo di Hodgkin o modello HH (Hodgkin e Huxley)

Il ciclo di Hodgkin è un meccanismo di feedback positivo che si innesca quando c'è un potenziale d'azione. È un tipico esempio di feedback positivo: la membrana diventa meno negativa e quando raggiunge un certo valore (soglia), quella differenza di potenziale evocata diventa causa di un incremento di depolarizzazione; è qualcosa che comporta instabilità, al fine di trasmettere l'informazione.

Attività elettrica del cuore

Si focalizza l'attenzione sui potenziali d'azione nel cuore, dalla genesi di questi potenziali fino all'ECG, sull'aspetto di ricerca e sull'attività del laboratorio.

Anatomia del sistema di conduzione cardiaca

Attivazione normale del cuore:

• Nodo del seno o seno-atriale (genesi spontanea del potenziale d'azione)
• Diffusione dell'impulso nodale: interatriale (atri coinvolti per primi)
• Nodo atrio-ventricolare
• Fascio di His
• Fibre del Purkinje

Nodo seno-atriale

Il nodo seno-atriale è il pacemaker naturale del cuore, in quanto qui ha origine l'impulso spontaneamente. È una struttura cilindrica (15 x 5 mm), posizionato fra la vena cava superiore e l'atrio destro. È composto da tre tipi di cellule, in particolare vi sono le cellule P (pacemaker) che si depolarizzano e generano potenziali d'azione in maniera spontanea. Questo è un aspetto fondamentale visto che si differenzia da quanto visto finora; è importante per la vita e per il corretto funzionamento del cuore e dei vari organi che dipendono dal consumo di ossigeno. In particolare queste cellule si depolarizzano a intervalli regolari.

Ci sono però dei fattori che possono modificare leggermente questo funzionamento e sono oggetto di studio della ricerca del laboratorio. Questa depolarizzazione scatena un meccanismo che comporta un intero battito, questo vale per tutti i battiti. Queste depolarizzazioni spontanee dovrebbero essere identiche come durata e come ampiezza degli intervalli; in realtà non è proprio così. Oltre alle variazioni fisiologiche dovute alle differenze di concentrazione (piccole variazioni che però potrebbero essere considerate trascurabili), ci sono due fattori fondamentali che modificano questa regolarità: l'attività del sistema nervoso autonomo, in particolare il sistema ortosimpatico e il sistema parasimpatico o vagale e le richieste emodinamiche dell'organismo. L'impulso sorto a livello del nodo seno-atriale si diffonde negli atri e raggiunge il nodo atrio-ventricolare.

Diffusione interatriale: sistole atriale

Premessa: quando si parla di sistole e di diastole, ovvero contrazione e rilasciamento, si fa riferimento a ventricoli; in realtà si parla di sistole e di diastole sia atriale che ventricolare. Tutti i meccanismi che verranno descritti servono a far passare il flusso di sangue nei vari comparti prima nel cuore e poi in tutto il sistema cardiovascolare.

Il flusso del sangue dall'atrio (riempito) al ventricolo (vuoto) è favorito da un gradiente di pressione, in situazioni ortostatiche dalla forza di gravità e dalla contrazione o sistole atriale; la sistole atriale è meno "importante" di quella ventricolare. Nel ciclo cardiaco il punto iniziale (scelto per semplicità) è indicato come la depolarizzazione del nodo seno-atriale, dopo l'impulso elettrico si diffonde attraverso le varie strutture. Partendo da lì, la prima sistole che si incontra è quella atriale.

È stata affermata ma non dimostrata in modo definitivo la presenza a livello atriale di alcuni fasci di cellule specializzate (distinte dalle contrattili). Per vie internodali si intende il collegamento (fatto da fibre cardiache specializzate) fra il nodo seno-atriale e il nodo atrio-ventricolare, in questo modo l'impulso procederebbe più velocemente che nel pericardio comune. Da un punto di vista anatomico corrispondono a dei fasci di fibre avvolgenti che congiungono il nodo seno-atriale e il nodo atrio-ventricolare.

La depolarizzazione nella parete degli atri equivale alla contrazione muscolare: in generale (sia per gli atri sia per i ventricoli) alla depolarizzazione corrisponde la sistole e alla ripolarizzazione la diastole.

Nodo atrio-ventricolare

Si trova alla base del setto interatriale, a ridosso dell'anulus tricuspidale, 1-2 cm davanti al seno coronario. È composto da cellule specializzate e particolari, diverse da quelle presenti nella maggior parte del tessuto, il cui ruolo è quello di rallentare la velocità di conduzione (ciò è alla base del meccanismo di contrazione cardiaca), altrimenti la contrazione degli atri e dei ventricoli sarebbe sincrona e se così fosse, il lavoro di spinta sul sangue sarebbe inefficace. Pertanto vi è un ritardo di conduzione: la sistole atriale è sincrona con la diastole ventricolare e viceversa la diastole atriale è sincrona con la sistole ventricolare, al fine di permettere il corretto scorrimento del flusso di sangue. Il nodo atrio-ventricolare quindi ha una funzione di freno, di regolazione per il battito. A differenza dei potenziali studiati finora, questo potenziale d'azione oltre a comunicare un'informazione (contrazione e rilassamento del muscolo cardiaco), ha la necessità di una sincronizzazione e delle fasi da rispettare e si deve interfacciare anche con il sistema nervoso.

Tutta la contrazione muscolare è dovuta a questa trasmissione elettrica che all'interno del cuore avviene grazie alla presenza di sinapsi di tipo elettrico, caratterizzate dalla presenza di gap junction. Queste sinapsi permettono il passaggio del segnale elettrico più velocemente ovvero non vi è il tipico ritardo sinaptico che caratterizza le sinapsi di tipo chimico, ma così non è possibile modulare la trasmissione elettrica.

Fascio di His

La componente successiva è rappresentata dal fascio di His. È all'incirca lungo 15 mm, anche se tutti i valori considerati dipendono moltissimo dalla forma dell'organo cardiaco e dalla conformazione fisica di ciascun individuo: sono tutti valori medi riferiti a un individuo di media statura. Questo fascio va dal bordo anteroinferiore del nodo atrio-ventricolare lungo la parte membranosa del setto e raggiunge il setto interventricolare dove si divide in due branche, destra e sinistra. La branca destra consiste in un fascio sottile e individualizzato posto lungo il lato destro della porzione muscolare del setto. La branca sinistra è soggetta a variabilità individuale e consiste di fibre che si sfilacciano dal fascio di His lungo la parete sinistra del setto muscolare nel fascicolo anteriore sinistro e nel fascicolo posteriore sinistro.

Per giunzione atrio-ventricolare si intendono il nodo atrio-ventricolare e il tronco comune del fascio di His, un'unica struttura che mette in comunicazione gli atri e i ventricoli.

Fibre del Purkinje

Le fibre del Purkinje sono la parte terminale del sistema di conduzione del cuore; si tratta di cellule cardiache con conducibilità maggiore delle comuni fibre cardiache, che penetrano nel miocardio ventricolare attraversando i muscoli papillari e la parete laterale dei ventricoli. Esse sono le più grandi cellule che si ritrovano nel cuore. Le branche destra e sinistra alla fine si risolvono in questi fasci di fibre che formano una rete, dal momento che le fibre del Purkinje giungono all'apice del cuore e poi ritornano indietro (assenti nell'atrio). Le fibre del Purkinje e le reti che costituiscono sono situate in posizione sottoendocardica.

Meccanica cardiaca: ciclo cardiaco

Sistole: contrazione delle pareti del cuore

Diastole: distensione delle pareti del cuore

Parlando di sistole e di diastole senza specificare, ci si riferisce al ventricolo; in caso contrario bisogna specificare se si tratta di atrio o di ventricolo.

Potenziali d'azione: canali e confronto con il potenziale d'azione in un assone

Nell'assone normalmente abbiamo un potenziale di riposo che ha una certa variabilità (all'incirca 75 mV). Questo potenziale a un certo punto viene alterato dalla sommazione spaziale e temporale di una serie di potenziali generatori giunti sui dendriti e questa serie di piccole variazioni si trasmettono all'incirca inalterate verso il monticolo assonico. Se queste variazioni integrate nel tempo e nello spazio raggiungono un certo valore soglia, si attiva un meccanismo di feedback positivo. Innanzitutto si aprono i canali voltaggio dipendente per il sodio, questo ione entra in maniera massiccia all'interno della cellula spinto da un gradiente elettrochimico (dentro la cellula c'è una minor concentrazione di sodio e c'è un potenziale negativo); questo ingresso cambia la polarità della cellula che giunge fino a valori positivi di potenziale. In questo modo però l'ambiente intracellulare non è più elettricamente adatto al potassio, pertanto questo ione fuoriesce dalla cellula per un gradiente elettrochimico (il potassio è più concentrato all'esterno della cellula e all'interno vi è un potenziale positivo) attraverso canali che si erano aperti poco dopo quelli del sodio. In seguito i canali per il potassio si chiudono e vi è la fase di iperpolarizzazione che corrisponde alla refrattarietà relativa ad evocare un altro stimolo.

Considerando le concentrazioni relative a un solo ione, si può ottenere il valore del potenziale di membrana di quello ione con l'equazione di Nernst, attraverso la valenza e la differenza di concentrazioni fra interno e esterno relativo allo ione preso in considerazione. Attraverso le permeabilità e le conduttanze di più ioni contemporaneamente, con l'equazione di Goldman si può ottenere il valore vero del potenziale finale. Il potenziale di Nernst è relativo a un solo ione e può essere molto diverso da quello di riposo; il potenziale di Goldman è di riposo purché si considerino tutti gli ioni (o almeno quelli più importanti). Per esempio il potenziale per il sodio è +40 mV, un valore molto diverso dal potenziale di riposo dell'intera cellula: il sodio non è affatto in equilibrio ed è spinto da un gradiente elettrochimico.