Fisologia umana - Sistema cardiocircolatorio e rene

Fisiologia umana - II parte

Sistema cardiocircolatorio

Il sistema cardiocircolatorio è costituito dal cuore e da un insieme di vasi sanguigni, arterie e vene. Il cuore rappresenta una vera e propria pompa che spinge continuamente il sangue in questo sistema di vasi, in cui il sangue segue un’unica direzione, garantita dalla presenza di valvole sia all’interno del cuore che nelle vene.

Il cuore è costituito da 4 cavità: nella parte superiore, l'atrio destro e l'atrio sinistro, e in basso il ventricolo destro e il ventricolo sinistro. Ciascun atrio può comunicare con il ventricolo sottostante (es. atrio dx, ventricolo dx), e questa comunicazione è possibile grazie alla presenza di valvole chiamate atrioventricolari, formate da strutture collegate tramite filamenti detti corde tendinee, ancorate a piccoli muscoli detti muscoli papillari. Queste valvole sono in grado di aprirsi e di chiudersi per permettere il passaggio del sangue dall'atrio al ventricolo.

Nel ventricolo sinistro si inserisce l’arteria più grande, l'Aorta, dalla quale poi si origina il sistema arterioso, mentre nel ventricolo destro si originano le arterie polmonari.

Partendo dal ventricolo sinistro del cuore, attraverso l'aorta, il sangue viene spinto in periferia attraverso le arterie e raggiunge tutti i vari distretti corporei, dove avvengono gli scambi a livello capillare: le arterie cedono l'ossigeno al distretto ed il sangue, che diventa venoso, prende la CO₂ prodotta dal metabolismo cellulare. Qui avviene lo scambio da sangue arterioso (ricco di O₂) a sangue venoso (povero di O₂ e ricco di CO₂). Il sangue venoso raggiunge la parte destra del cuore e, attraverso le arterie polmonari, questo sangue povero di O₂ viene portato ai polmoni, dove avvengono gli scambi gassosi: si cede CO₂, che viene eliminata attraverso la respirazione e si incorpora O₂ nel sangue, che attraverso le vene polmonari ritorna nella parte sinistra del cuore, per essere nuovamente pompato alla periferia.

Proprietà funzionali del tessuto cardiaco

Sono quattro: eccitabilità, ritmicità, conducibilità e contrattilità.

Eccitabilità

• Batmotropismo → Proprietà di un tessuto di rispondere ad uno stimolo, adeguato per qualità ed intensità, con un cambiamento di stato. Le cellule cardiache rispondono ad un adeguato stimolo provocando una modificazione del loro potenziale di riposo, detto potenziale d'azione (evento elettrico), cui segue una contrazione (evento meccanico).

Potenziale d'azione delle cellule contrattili

Asse y: millivolt variazione della polarità della membrana

Asse x: tempo in millisecondi

L’evento in cui si innesta e termina ha una durata di 250 ms. Il potenziale di azione delle cellule contrattili del miocardio ha una durata piuttosto lunga rispetto al potenziale d’azione relativo alle cellule nervose o alle cellule muscolari scheletriche. Questa maggiore durata è dovuta alla presenza della fase del Plato (fase 2).

Fasi del potenziale d'azione

FASE 1: Si parte da una situazione di riposo cellulare, quindi il potenziale di membrana che assumono le cellule quando sono a riposo. Il valore del potenziale di membrana è -99 mV, questa è la fase di depolarizzazione che rende il potenziale di membrana sempre meno negativo depolarizzando la membrana. La fase ascendente di depolarizzazione è dovuta a un ingresso di ioni sodio all’interno della cellula, cioè ingresso di cariche positive che giustifica l’andamento. Il sodio entra nella cellula perché la cellula è dotata di canali per far entrare il sodio che si aprono, sono voltaggio dipendenti e consentono il loro ingresso. Si aprono molto rapidamente quindi si attivano e permettono l’ingresso del sodio e quando si arriva a +20mV (punto 1), questi canali si inattivano e non consentono più l’ingresso di sodio. Torneranno nello stato di chiusura solo alla fine della ripolarizzazione della cellula (punto 4), mentre per tutto questo periodo rimangono inattivi. È importante che i canali rimangano in uno stato di inattività, perché è la base del periodo refrattario. Questi canali fino a quando non vengono chiusi completamente (fase finale 4) la cellula non può generare un altro potenziale d’azione. Il ruolo dei canali del sodio è determinante per impedire la tetanizzazione a livello cardiaco.

FASE 2: Fase successiva alla depolarizzazione è la fase di ripolarizzazione precoce, che è provocata dall’attivazione di una corrente transitoria diretta verso l’esterno. Questa corrente è legata allo ione potassio. In questa fase l’attivazione dei canali del potassio comporta una breve fuoriuscita di potassio dalla cellula e quindi si verifica questa breve fase. Nella fase di Plato, il calcio entra nella cellula cardiaca, questo ingresso è garantito dall’apertura di specifici canali ioni calcio. Sono canali che si attivano o inattivano in maniera più lenta rispetto a quelli del sodio. Questo ingresso di ioni calcio è controbilanciato da una contemporanea fuoriuscita di cariche positive del potassio. Questi due eventi fanno sì che per un periodo la polarità della cellula si mantenga a determinati livelli. L’ingresso di calcio nella cellula in questa fase è importante perché implica l’accoppiamento eccitazione-contrazione, quindi sarà il calcio che troveremo come attore nell’innesco del processo di contrazione.

FASE 3: Alla fine di questa fase identifichiamo la fase di ripolarizzazione che è a carico dello ione potassio, quindi i canali del calcio si chiudono, mentre abbiamo una fuoriuscita di potassio che ci porta ai valori basali di partenza identificati nel punto 4.

Ritmicità

• Cronotopismo → Proprietà che il cuore ha di eccitarsi e quindi di contrarsi spontaneamente e ritmicamente. È dovuta a una caratteristica intrinseca di particolari gruppi di cellule dette pacemaker, cellule in grado di eccitarsi spontaneamente anche in assenza di stimoli nervosi ed ormonali, i quali possono però modularla. Il ritmo cardiaco normale origina nel nodo seno-atriale (NSA), dove sono localizzate parte di queste cellule pacemaker. Il fenomeno della ritmicità origina nel nodo seno-atriale.

Le cellule pacemaker si eccitano spontaneamente e generano un segnale elettrico, ovvero il potenziale d’azione. Il potenziale di membrana, a riposo, ha un valore negativo -60, perché è molto più vicino al valore soglia (linea tratteggiata), quindi queste cellule riescono più prontamente ad eccitarsi e producono un potenziale d’azione.

Potenziale d’azione delle cellule contrattili autoritmiche

• Depolarizzazione, sale fino a +20 mV
• Ripolarizzazione, discesa fino al valore di riposo
• Fase aggiuntiva potenziale pacemaker, da -60 al valore soglia -40

Ogni volta che il potenziale pacemaker depolarizza la cellula portandola al valore soglia, la cellula innesca un potenziale d’azione. Chi rende possibile questa fase aggiuntiva iniziale? Gli ioni del grafico a fianco. Le cellule pacemaker sono dotate di particolari canali permeabili sia al potassio che al sodio, quindi quando si aprono questi canali, il sodio entra nella cellula e lentamente depolarizza la cellula autoritmica. A questo punto i canali che permettono l’ingresso di Na si chiudono e la cellula continua a depolarizzarsi grazie agli ioni calcio. Quindi, la fase di depolarizzazione è garantita e sostenuta dagli ioni calcio, al contrario di tutte le altre cellule eccitabili che abbiamo studiato fino ad adesso, sostenuta dagli ioni Na. Dopo la depolarizzazione, la cellula tende a ripolarizzarsi attraverso la fuoriuscita del potassio dalla cellula, come succede nelle altre cellule. Questo evento elettrico ha una certa durata e la velocità determina la frequenza cardiaca.

Conducibilità

• Dromotropismo → Proprietà che il tessuto cardiaco ha di condurre l’eccitamento insorto nelle cellule del NSA, propagandolo a tutto il miocardio. Il tessuto cardiaco si comporta come un sincizio funzionale (formato da numerose cellule muscolari tra loro connesse in grado di trasmettere il potenziale d’azione con estrema velocità).

Conducibilità elettrica nelle cellule miocardiche

Le cellule che rappresentano il nodo seno atriale (le cellule pacemaker), dove parte il potenziale di membrana delle cellule miocardiche, e cellule contrattili del miocardio sono in comunicazione tra loro attraverso delle strutture, chiamate dischi intercalari, dove sono presenti le giunture comunicanti, grazie alle quali l’eccitamento delle cellule viene propagato alle cellule contrattili. La depolarizzazione delle cellule autoritmiche si propaga molto rapidamente alle cellule contrattili adiacenti, grazie alla presenza di giunzioni comunicanti.

Sistema di conduzione cardiaco

Tessuto specializzato dove sorge l’eccitamento, e si propaga poi nel resto nel cuore, costituito da diverse strutture:

• Nodo seno atriale (NSA, detto anche nodo del seno o nodo di Keith e Flack)
• Vie atriali intermodali:
  • Tratto internodale anteriore di Bachman
  • Tratto internodale mediano di Wenckebach
  • Tratto internodale posteriore di Thorel
• Nodo atrioventricolare (NAV detto anche nodo di Aschoff-Tawara)
• Fascio di His, decorre all’interno del setto ventricolare e ha due branche una dx e una sx
• Sistema o cellule o fibre del Purkinje

Fasi della conduzione

1. Depolarizzazione del nodo SA
2. Attività elettrica raggiunge rapidamente il nodo AV tramite le vie internodali
3. La depolarizzazione si propaga più lentamente attraverso l'atrio, le due camere atriali dopo essere state depolarizzate si contraggono, contrazione detta sistole ed i ventricoli sottostanti sono rilasciati, a questo punto la propagazione della depolarizzazione avviene attraverso il fascio di His. La conduzione rallenta nel nodo AV.
4. La depolarizzazione si sposta rapidamente attraverso il sistema di conduzione ventricolare verso l'apice cardiaco
5. L’onda di depolarizzazione si propaga dall'apice verso la base ed invade i ventricoli, provocando la sistole ventricolare

L’attività elettrica viene registrata attraverso l’elettrocardiogramma (ECG), vengono registrate le variazioni di potenziale elettrico del cuore tra due punti della superficie corporea. Ad esempio, una cellula cardiaca si trova in stato di riposo, l’interno della cellula è carico negativamente, mentre l'esterno è positivo, la cellula è nel suo potenziale di membrana di riposo. In questo caso non si registra nessuna variazione di potenziale (linea dritta). Quando la cellula inizia a depolarizzarsi, si scambiano le cariche, l'interno diventa positivo e l’esterno negativo e si misura una variazione di potenziale (linea cresce verso l’alto fino a depolarizzazione completa). Quando la cellula comincia a ripolarizzarsi e i due elettrodi misurano due cariche differenti, la linea scende verso il basso fino alla ripolarizzazione completa. Le differenze di ogni fibra cardiaca si sommano in una differenza di potenziale complessiva che va ad essere registrata dagli elettrodi in superficie.

Innervazione del cuore

L’innervazione del cuore modula e regola la frequenza cardiaca. Il sistema nervoso autonomo è costituito da una branca del sistema nervoso orto-simpatico e una del sistema parasimpatico. Le fibre nervose del sistema ortosimpatico si occupano di innervare gran parte del miocardio: nodo SNA, nodo AV, setto e miocardio ventricolare. Il sistema parasimpatico si occupa dell’innervazione della parte atriale. Questi due sistemi agiscono attraverso dei neurotrasmettitori:

• L’acetilcolina è rilasciata dal parasimpatico
• La noradrenalina è rilasciata dall’ortosimpatico

Modulazione della frequenza cardiaca da parte del sistema nervoso

→ È riportata l’azione del sistema simpatico, nel tracciato in rosso, confrontata al tracciato in grigio che corrisponde all’azione prima del sistema ortosimpatico.

→ È riportata l’azione orto-simpatica nel modulare la frequenza, tracciato in azzurro, mentre in grigio in assenza della stimolazione parasimpatica.

Le cellule sono provviste di canali cationici aspecifici, cioè nel momento in cui i canali si aprono consentono l’ingresso di cationi all’interno della cellula e così comincia un processo di depolarizzazione (tratto “more rapid depolarization”) che consente di passare da un potenziale di membrana -60 a -40, fino alla polarizzazione, e poi si parte con la depolarizzazione. Il tratto da -60 a -40 viene chiamato potenziale pacemaker, dovuto alla presenza dei canali cationici, qui avviene la regolazione della Fc cardiaca perché i canali possono aumentare o diminuire l’ingresso di cationi a seconda della concentrazione di AMP ciclico.

• Se questi canali hanno una maggior concentrazione di AMP ciclico, la conduttanza aumenta e diminuisce il tempo che consente di arrivare da -60 al valore soglia
• Se i canali sono esposti a basse concentrazioni di AMP ciclico avviene il contrario, diminuisce la corrente e quindi si raggiunge con più tempo il valore soglia

Questo è il meccanismo su cui vanno ad agire i neurotrasmettitori dei due sistemi.

→ Sistema simpatico incrementa la frequenza cardiaca; la noradrenalina attiva, una volta che si lega ai recettori beta adrenergici posti sulla membrana, aumenta i livelli di AMP ciclico, diminuendo il tempo per arrivare alla soglia ed aumentando la Fc.

→ Sistema parasimpatico riduce la frequenza cardiaca, quando l’ACh si lega ai recettori colinergici muscarinici, viene rilasciata e riduce i livelli di AMP ciclico, diminuendo la velocità di depolarizzazione (arrivo al valore soglia) e riducendo il valore della frequenza cardiaca. Quando agisce questo sistema, il valore iniziale di riposo può risultare anche più negativo di -60, sempre per la minore concentrazione di AMP ciclico, quindi per arrivare al valore di -60 avviene un processo di iperpolarizzazione iniziale.

Contrattilità

• Inotropismo → Capacità di rispondere ad uno stimolo con un cambiamento di dimensioni geometriche (accorciamento) o di caratteristiche meccaniche (forza muscolare sviluppata). Richiede la partecipazione di strutture poste all’interno delle cellule (miofilamenti e miofibrille) che si attivano in seguito all’evento elettrico di membrana (potenziale d’azione).

A differenza del muscolo scheletrico, il muscolo cardiaco è mononucleato; ogni cellula è connessa all’altra tramite giunzioni comunicanti, ed è costituita da membrana citoplasmatica, disco intercalare e sarcomeri, costituiti a loro volta da filamenti di actina e miosina.

Contrazione muscolo cardiaco e ruolo del Ca²⁺

Come nel muscolo scheletrico, anche nel muscolo cardiaco l’innesco della contrazione muscolare avviene grazie agli ioni calcio (Ca²⁺). Il tubulo-T, nel citosol della cellula, è in connessione con il reticolo sarcoplasmatico (RS) e lungo il tubulo si trovano canali voltaggio dipendenti per gli ioni calcio; quando questi canali dal potenziale d’azione si aprono e permettono l’ingresso degli ioni calcio (punto 1-2). Questo ingresso di calcio provoca anche un rilascio del calcio dal RS al citosol (punto 3). Questi ioni si dirigono verso i filamenti sottili del sarcomero, a questo livello si legano alla proteina, troponina C, ed inizia la contrazione, come nel muscolo scheletrico. Il passaggio successivo è il rilassamento muscolare che avviene quando diminuisce la concentrazione di Ca e si stacca dalla troponina (punto 7) e viene pompato nel RS dove viene accumulato e successivamente eliminato nella zona extracellulare dopo essersi scambiato con il sodio Na⁺.

La forza di contrazione che viene generata a livello cardiaco può subire un incremento o una riduzione grazie al sistema nervoso autonomo:

• La NA, rilasciata dal SNA ortosimpatico, aumenta la forza di contrazione cardiaca promuovendo l’ingresso di calcio nei cardiomiociti: effetto inotropo positivo
• L’acetilcolina rilasciata dal SNA parasimpatico diminuisce la forza di contrazione cardiaca riducendo l’ingresso di calcio nei cardiomiociti: effetto inotropo negativo

Le differenze tra contrazione cardiaca e scheletrica

• Tetanizzazione: Sappiamo che il muscolo scheletrico può rispondere a stimoli che giungono a una determinata frequenza e può aumentare i livelli di forza prodotta. Perché riesce a rispondere a stimoli?

Grafici in alto si riferiscono al muscolo scheletrico, grafico in alto a sx. Asse x: tempo, asse y: valori di potenziale. Ad un segnale elettrico, rosso potenziale d’azione, segue un segnale meccanico, cioè la contrazione, in blu; la parte in giallo si riferisce al periodo refrattario, della durata di 10 ms, per una ragione che si riscontra nei canali del sodio, che determinano la fase di depolarizzazione, la membrana per un certo periodo di tempo è refrattaria, cioè non risponde ad un secondo stimolo in questo frangente di tempo. Quando finisce il segnale elettrico, la contrazione va avanti per tot tempo, mentre il muscolo si contrae e sviluppa forza, la membrana non è sottoposta a refrattarietà perché termina con la ripolarizzazione. Quindi, mentre il muscolo scheletrico si contrae, la membrana può rispondere ad altri stimoli. Nel grafico in alto a destra, la linea blu corrisponde all’evento meccanico, quindi la risposta del muscolo in termini di forza, quando riceve stimoli ripetuti (freccette nere) ed ad ogni stimolo la forza aumenta, la membrana risponde.