Fisiologia veterinaria 1: miocardio, sangue e circolazione

Capitolo 9 il miocardio e la sua funzione di pompa

Struttura del cuore

Il cuore è costituito da due pompe separate:

• Cuore di destra, che spinge il sangue deossigenato verso i polmoni.
• Cuore di sinistra, che spinge il sangue ossigenato negli organi periferici.

Ciascuno di questi due cuori è una pompa pulsatile a due camere definite atrio e ventricolo (di dx e sx). L’atrio funziona come una debole pompa d’innesco che con la sua contrazione aiuta il sangue a passare nel ventricolo. Il ventricolo genera la massima forza propulsiva per pompare il sangue nella circolazione polmonare (ventricolo dx) e/o in quella periferica sistemica (ventricolo sx).

Ritmicità cardiaca

Nel cuore assistiamo ad una successione di contrazioni: la ritmicità cardiaca. Questa si esplica attraverso la trasmissione di potenziali d’azione lungo il muscolo miocardio.

Tipi di miocardio

• Muscolo atriale
• Muscolo ventricolare
• Fibre specializzate nell’eccitabilità e conducibilità.

Sia il miocardio atriale che quello ventricolare presentano una contrazione simile a quella del muscolo scheletrico ma più prolungata. Le fibre specializzate per l’eccitabilità e la conducibilità sviluppano soltanto una debole forza contrattile perché contengono poche miofibrille; queste fibre presentano attività elettrica ritmica (potenziali d’azione) e la capacità di condurre potenziali d’azione attraverso il cuore. Queste fibre costituiscono un sistema eccitatorio che controlla il battito ritmico.

Muscolo cardiaco come sincizio

Il muscolo cardiaco è striato come il muscolo scheletrico per la presenza di miofibrille contenenti filamenti di actina e miosina. Nella contrazione, essi si interdigitano e scivolano l’uno sull’altro (come avviene nel muscolo scheletrico).

Le aree scure, tra le fibre muscolari, sono definite dischi intercalari e sono costituite da porzioni specializzate di membrane cellulari atte alla separazione di una miocellula dall’altra. Ogni fibra muscolare cardiaca è costituita da più cellule singole connesse tra loro in serie. La resistenza elettrica dei dischi intercalari è solo 1/400 rispetto a quella della membrana esterna delle fibre miocardiche. Ciò è dovuto al fatto che a livello del disco intercalare le membrane si fondono l’una sull’altra formando gap junction, che sono permeabili e quindi permettono una libera diffusione degli ioni.

Perciò gli ioni si spostano facilmente nel liquido intracellulare lungo l’asse longitudinale delle fibre miocardiche e i potenziali d’azione si trasmettono da una fibra all’altra attraverso i dischi intercalari. Per tali ragioni, il miocardio è un sincizio formato da molte miocellule interconnesse tra loro in modo che, quando una di esse si trova in stato di eccitazione, il potenziale d’azione si trasmette a quelle vicine tramite queste interconnessioni.

Divisione del cuore in sincizi

Il cuore è costituito da due sincizi:

• Atriale (presente nelle pareti degli atri)
• Ventricolare (presente nelle pareti dei ventricoli)

Gli atri sono separati dai ventricoli da tessuto fibroso che circonda le aperture valvolari. In condizioni normali, i potenziali d’azione passano dal sincizio atriale a quello ventricolare attraverso un sistema specializzato nella conduzione definito fascio atrio-ventricolare (o fascio di His), costituito da fibre conduttive. La divisione del miocardio in due sincizi funzionali permette agli atri di contrarsi prima dei ventricoli (durata contrazione atrio: 0,2 sec; durata contrazione ventricolo: 0,3 sec).

Potenziali d’azione nel miocardio

Il potenziale di membrana a riposo del miocardio varia tra i -85 mV e i -95 mV (in diastole). Quello delle fibre del Purkinje mostra valori tra i -90 ed i -100 mV. Il potenziale d’azione in una fibra muscolare ventricolare ha un’ampiezza di +105 mV, il che indica che dal valore normale del potenziale di riposo (-85mV) si arriva al picco a circa +20 mV (in sistole). La parte positiva è definita overshoot. Dopo il picco, o spike, la membrana rimane depolarizzata per circa 0.2 secondi nel miocardio atriale e per 0.3 secondi in quello ventricolare. Vi è inoltre un plateau nel potenziale d’azione: fa sì che la contrazione nel muscolo cardiaco ventricolare duri 3-15 volte di più della contrazione del muscolo scheletrico, a cui segue una rapida ripolarizzazione.

Effetto degli ioni calcio extracellulare

Qual è il motivo per cui la concentrazione di ioni calcio extracellulare influenza profondamente la contrattilità del miocardio?

Occorre domandarsi perché il potenziale d’azione del muscolo cardiaco sia così lungo e perché abbia un plateau. Il potenziale d’azione del muscolo scheletrico è causato da una rapida e improvvisa apertura di canali rapidi per il sodio, consentendo il passaggio di ioni sodio dal liquido extracellulare all’interno della fibra. Rimangono aperti per breve tempo fino a chiudersi bruscamente causando la ripolarizzazione e il potenziale d’azione si conclude.

Nel miocardio, invece, il potenziale d’azione è dovuto all’apertura di due tipi di canali:

• Gli stessi canali rapidi per il sodio
• Canali del calcio lenti (detti canali calcio-sodio), i quali si aprono più lentamente e rimangono aperti più a lungo, facendo entrare ioni calcio e sodio nella fibra e causando il plateau (depolarizzazione prolungata).

Sono proprio gli ioni calcio che entrano durante il plateau a innescare il processo contrattile del muscolo cardiaco (nel muscolo scheletrico questa azione è svolta esclusivamente dagli ioni calcio liberati dal reticolo sarcoplasmatico). Inoltre, gli ioni calcio che entrano svolgono un ruolo importante nella genesi del fenomeno contrattile.

Inoltre dopo l’inizio del potenziale d’azione diminuisce la permeabilità della membrana della fibra muscolare cardiaca agli ioni potassio (questo evento non si verifica nel muscolo scheletrico), ritorna la negatività e il potenziale di riposo. Quando i canali calcio-sodio lenti si chiudono la permeabilità per gli ioni potassio aumenta con conseguente perdita di ioni potassio dall’interno della fibra e il potenziale di membrana ritorna al riposo (ripolarizzazione).

I miocardiociti sono immersi nel plasma.

Periodo refrattario

Il miocardio è refrattario ad una stimolazione ripetuta durante il potenziale d’azione. Il periodo refrattario è quell’intervallo di tempo nel quale un normale impulso cardiaco non può eccitare una parte del miocardio che si trova già eccitato. Nel miocardio ventricolare il periodo refrattario assoluto dura circa 0,25-0,3 secondi (uguale alla durata del plateau del potenziale d’azione). Vi è inoltre un periodo refrattario relativo, nel quale il miocardio mostra una maggior difficoltà, rispetto alle condizioni normali, nel venire eccitato: questo dura 0.05 sec. Il periodo refrattario del miocardio atriale è più breve e dura circa 0.15 secondi.

Accoppiamento eccitazione-contrazione

Il termine “accoppiamento eccitazione-contrazione” indica il meccanismo per il quale il potenziale d’azione induce la contrazione delle miofibrille presenti nelle fibre muscolari. Come avviene nelle fibre muscolari scheletriche, quando un potenziale d’azione percorre la membrana delle fibre miocardiche, diffonde verso l’interno della fibra lungo le membrane dei tubuli trasversi a T. Poi, i potenziali d’azione agiscono sulle membrane dei tubuli longitudinali del reticolo sarcoplasmatico, che causano una rapida liberazione di ioni calcio, contenuti nel reticolo sarcoplasmatico, nel sarcoplasma. In pochi millisecondi, gli ioni calcio si diffondono nelle miofibrille e catalizzano quelle reazioni necessarie allo scorrimento dei miofilamenti di actina e miosina l’uno sull’altro (fenomeno contrattile). Fino a qui il meccanismo è lo stesso che avviene nel muscolo scheletrico, ma c’è un evento diverso nei due tipi di fibre.

Nella fibra cardiaca, quando vi è il potenziale d’azione, oltre agli ioni calcio liberati dal reticolo sarcoplasmatico, una cospicua quantità di ioni calcio diffonde all’esterno nel sarcoplasma attraverso i tubuli a T. Il potenziale d’azione provoca l’apertura dei canali del calcio voltaggio-dipendenti presenti nella membrana del tubulo T. Il calcio che entra nella cellula attiva i canali per il rilascio del calcio (chiamati recettori rianodinici) nella membrana del reticolo sarcoplasmatico, determinando la liberazione nel sarcoplasma di altri ioni calcio. Questi interagiscono con la troponina C dando avvio alla formazione di ponti trasversi e alla contrazione.

Senza tale diffusione esterna, la forza di contrazione miocardica sarebbe molto ridotta. Ciò perché il reticolo sarcoplasmatico è molto meno sviluppato rispetto alle fibre scheletriche e perciò non è in grado di secernere abbastanza ioni calcio per avviare la contrazione. I tubuli T del muscolo cardiaco hanno tuttavia un diametro 5 volte maggiore di quelli del muscolo scheletrico. Inoltre, all'interno dei tubuli T si trova un'abbondante quantità di mucopolisaccaridi, carichi negativamente, che legano un notevole numero di ioni calcio, tenendoli a disposizione per la diffusione all'interno della fibra muscolare cardiaca quando un potenziale d'azione investe il tubulo T.

La forza di contrazione del miocardio, quindi, dipende dalla concentrazione di ioni calcio nel liquido extracellulare, poiché la parte terminale dei tubuli a T è in contatto diretto con l’esterno delle fibre miocardiche (a contatto con il liquido extracellulare).

Al contrario, la forza di contrazione del muscolo scheletrico è influenzata in misura ridotta da variazioni della concentrazione di calcio nel liquido extracellulare, perché la contrazione di questo muscolo è prodotta pressoché interamente dal rilascio di ioni calcio dal reticolo sarcoplasmatico, che si trova all'interno della fibra.

Al termine della fase a plateau, l’afflusso di ioni calcio verso l’interno si riduce rapidamente. In tal modo, gli ioni calcio presenti nel sarcoplasma vengono ripompati sia nel reticolo sarcoplasmatico sia nei tubuli a T e da questi ultimi diffondono nello spazio extracellulare. Il calcio viene ritrasportato nel reticolo sarcoplasmatico grazie ad una pompa calcio-ATPasi e può essere rimosso dalla cellula anche grazie ad uno scambiatore sodio-calcio (il sodio che entra nella cellula durante questo scambio viene in seguito ritrasportato all’esterno dalla pompa Na⁺-K⁺ ATPasi).

Durata della contrazione: il muscolo cardiaco inizia a contrarsi alcuni millisecondi dopo l’inizio del potenziale d’azione. Quindi la durata della contrazione cardiaca è per lo più in funzione della durata del potenziale d’azione: 0,2 sec nel muscolo atriale e 0,3 sec nel muscolo ventricolare.

Ciclo cardiaco

Il ciclo cardiaco è costituito da tutti quei fenomeni che avvengono dall’inizio di un battito all’inizio del successivo. Ogni ciclo inizia con l’insorgenza spontanea di un potenziale d’azione nel nodo seno atriale. Il nodo del seno atriale è localizzato nella parete superiore laterale dell’atrio destro, allo sbocco della vena cava superiore. Il potenziale d’azione si propaga attraverso gli atri e quindi attraverso il nodo e il fascio atrioventricolare (o fascio di His) fino ai ventricoli. A causa dell’organizzazione del sistema di conduzione c’è un ritardo di conduzione di circa 0,1 sec tra il passaggio dell’impulso dagli atri ai ventricoli. Gli atri dunque si contraggono e pompano sangue nei ventricoli prima che in essi si verifichi la contrazione. In tal modo, gli atri fungono da pompa di innesco per i ventricoli, che poi generano quella forza atta a spingere il sangue nel sistema vascolare.

La durata di un ciclo (comprese sistole e diastole) è uguale al reciproco della frequenza cardiaca (se la frequenza è 72 battiti al minuto, la durata del ciclo sarà pari a 1/72 battiti/min). Quando la frequenza aumenta, la durata di un ciclo diminuisce. Anche la durata del potenziale d’azione e il periodo di contrazione (sistole) si riducono, ma non in percentuale tanto elevata quanto avviene per la fase di rilasciamento (diastole). Frequenza cardiaca molto elevata: non c’è un periodo di rilasciamento abbastanza lungo da garantire il riempimento completo delle camere cardiache prima della successiva contrazione.

Sistole e diastole

Il ciclo cardiaco è costituito da un periodo di rilasciamento, o diastole, nel quale il cuore si riempie, seguito da un periodo di contrazione, o sistole.

• Diastole: periodo di rilasciamento (diastole = disteso)
• Sistole: periodo di contrazione

L’immagine mostra gli eventi del ciclo cardiaco (parte sx cuore):

Le tre curve superiori mostrano i cambiamenti della pressione nell’aorta, nel ventricolo sx e nell’atrio sx. La quarta curva descrive i cambiamenti del volume ventricolare sx. La quinta curva mostra l’elettrocardiogramma e la sesta un fonocardiogramma.

Fonocardiogramma: registrazione dei suoni prodotti dal cuore (toni + eventuali soffi), provenienti soprattutto dai ventricoli. L’ECG indica le onde P, Q, R, S e T. Esse sono generate elettricamente dal cuore (voltaggi generati dal cuore) e possono essere registrate con elettrodi posti sulla superficie corporea, collegati ad un elettrocardiografo.

L’onda P è dovuta alla propagazione della depolarizzazione negli atri ed è seguita dalla contrazione, la quale induce un lieve aumento nella curva indicante la pressione atriale (immediatamente dopo l’onda P). Circa 0.16 secondi dopo l’inizio della curva P, si registrano le onde QRS, che indicano la propagazione della depolarizzazione ventricolare e responsabile della contrazione ventricolare che determina l’inizio dell’aumento pressorio nei ventricoli. Pertanto, il complesso QRS ha origine poco prima della sistole ventricolare. Infine, l’onda T è correlata alla fase di ripolarizzazione dei ventricoli, quando le fibre miocardiche ventricolari iniziano a rilasciarsi. L’onda T si genera poco prima del termine della sistole ventricolare.

Atri come pompe di innesco

Il sangue fluisce in maniera continua dalle grandi vene agli atri; circa il 75% di esso fluisce direttamente dagli atri ai ventricoli anche prima della contrazione atriale. Poi, tale contrazione provoca un riempimento supplementare dei ventricoli del 25%. Pertanto, gli atri fungono da pompe di innesco, in quanto incrementano il pompaggio ventricolare. In tal modo, aumenta l’efficacia nella funzione di pompa ventricolare. Tuttavia, il cuore può continuare ad operare in modo adeguato anche senza quell’extra di 25%. Ciò perché esso ha la possibilità di pompare dal 300 al 400% di più di sangue richiesto dal corpo.

Variazione pressione negli atri

Nella curva di variazione pressorie atriali, si possono distinguere 3 incrementi definiti onde di pressione a, c e v. L’onda è causata dalla concentrazione atriale. Di norma, nell’atrio destro la pressione arriva a 4-6 mmHg e nel sinistro 7-8 mmHg. L’onda c si verifica quando iniziano a contrarsi i ventricoli. Essa è causata in parte dal ritorno di sangue verso gli atri, in parte dallo spostamento delle valvole atrio-ventricolari verso gli atri, generato dall’incremento pressorio ventricolare. L’onda v si osserva nelle fasi finali della contrazione ventricolare. Essa è causata dal lento fluire del sangue negli atri dalle vene a valvole atrio-ventricolari chiuse. Poi, quando la contrazione ventricolare termina, le valvole atrio-ventricolari si aprono facendo riempire i ventricoli di sangue, e scompare la curva v.

Ventricoli come pompa

Durante la fase di sistole ventricolare, una certa quantità di sangue si accumula negli atri, poiché le valvole atrio-ventricolari sono chiuse (I tono cardiaco si chiudono a 30 mmHg). Le variazioni volumetriche ventricolari sono definite periodo di riempimento ventricolare e dura circa:

• 1/3 della diastole: Quando la sistole termina, la pressione intraventricolare scende verso valori diastolici, causando un aumento della pressione degli atri che induce l’apertura delle valvole atrio-ventricolari e il fluire di sangue nei ventricoli;
• 2/3 della diastole (periodo di riempimento lento): Nei ventricoli fluisce una piccola quantità di sangue che rappresenta quella parte che arriva agli atri dalle vene e passa direttamente ai ventricoli;
• 3/3 della diastole (contrazione atri): Contribuisce per circa il 25% al riempimento ventricolare.

Svuotamento ventricoli durante la sistole

La contrazione ventricolare provoca un aumento della pressione che causa la chiusura delle valvole atrio-ventricolari (I tono cardiaco); 0.02-0.03 secondi dopo, tale pressione apre le valvole semilunari (aortica e polmonare) superando la pressione dentro l’aorta e l’arteria polmonare (le aprono a 80 mmHg). Quindi si verifica contrazione ventricolare ma non lo svuotamento (contrazione isovolumetrica).

Quando la pressione nel ventricolo sinistro supera di poco gli 80 mmHg e nel destro gli 8 mmHg, si aprono le valvole semilunari. Il sangue inizia a riversarsi fuori dai ventricoli e si ha circa il 70% dello svuotamento nel primo terzo di eiezione ed il rimanente 30% negli altri 2/3. Il primo terzo è definito periodo di eiezione rapido e gli altri due di eiezione lenta.

Al termine della sistole ventricolare inizia il rilasciamento ventricolare e la pressione cade velocemente. Gli alti valori pressori delle grosse arterie spingono il sangue verso i ventricoli (onda dicrota) e perciò le valvole semilunari si chiudono (II tono cardiaco) ad una pressione di circa 100 mmHg. Inizia così il periodo di rilasciamento isovolumetrico, e la pressione nel ventricolo cala verso valori diastolici. Poi, si aprono le valvole atrio-ventricolari ed inizia un nuovo ciclo.