Principi di Fisiologia

Esame unico a fine corso

Esame specifico per chi ha seguito il corso. Fine del corso a dicembre. Primo appello con domande a risposta multipla (non solo una è giusta). Il voto dello scritto è sufficiente per convalidare l’esame. Gli appelli successivi dipendono dal numero degli iscritti, solitamente sono domande aperte ma può anche essere orale se si presentano poche persone (2 o 3).

Argomenti trattati

• Apparato escretore
• Sistema cardiovascolare
• Organi di senso
• Controllo metabolico
• Controllo del pH
• Apparato digerente
• Controllo della minzione
• Cenni di neurofisiologia

Libro: d’Angelo Peres

Sistema cardiovascolare

È un sistema chiuso e segue le dinamiche dei fluidi.

Il cuore

Il cuore dell’uomo è un organo muscolare, pesa circa 200-350 g con dimensioni pari al pugno della persona. È posizionato a livello mediastinico al centro della cavità toracica, per una lunghezza di 12-13-14 cm. Parte a livello della seconda costola e segue un andamento trasverso, con 2/3 spostati a sinistra e si estende fino alla quinta costola. L’apice del cuore tocca la parete costale (al di sotto del capezzolo sinistro) ed è piegato verso sinistra. La base del cuore è circa 9 cm (a forma di cono) si trova dietro lo sterno. All’interno della cavità toracica, il cuore si trova sul lato ventrale (anteriore) in mezzo ai due polmoni e con l’apice che entra in contatto con il diaframma.

Il cuore è rivestito da strutture che formano un doppio sacco, che prende il nome di sacco pericardico. Il liquido pericardico lubrifica la superficie esterna del cuore mentre questo batte all’interno del sacco pericardico. L’integrità fisiologica del sacco pericardico è importante per diverse funzioni. Esso è composto da una componente pericardica esterna che si attacca ai grandi vasi del cuore. Al di sotto del pericardio fibroso vi è il pericardio sieroso, che si divide in due componenti: una parietale e una componente viscerale. Il pericardio fibroso e il pericardio sieroso parietale formano il pericardio.

Al di sotto del pericardio viscerale vi sono le cellule del miocardio che formano la parete del cuore. Al di sotto del miocardio è costituito da uno strato di cellule epiteliali. La parete cardiaca è costituita da parte viscerale di pericardio sieroso e prende il nome di epicardio. Al di sotto dell’epicardio vi è l’endocardio. Nell’epicardio delle persone obese vi sono infiltrazioni di grasso.

Il pericardio determina la cavità pericardica, che è ricca di fluido. Il fluido serve, in analogia alle pleure, a limitare gli attriti, in modo da impedire la trasmissione della contrazione cardiaca sugli strati sovrastanti che potrebbero causare stati infiammatori. Il pericardio è anche molto importante per il contenimento dell’espansione diastolica del cuore. Infatti, quando il cuore va in diastole, il pericardio limita la sua distensione, in modo da limitare lo stress meccanico delle pareti del cuore.

In situazioni di infiammazioni della sierosa, si ha un aumento di fluido nella cavità pericardica. In questo caso il sacco ha un volume più grade del necessario e l’espansione del cuore più limitata in quanto più liquido comprime il cuore che non riesce ad espandersi. Questa condizione viene definita di tamponamento. Si procede mediante la rimozione del fluido in eccesso.

Le cellule del cuore si organizzano ancorandosi ad uno scheletro fibroso di tessuto connettivo che costituisce lo scheletro del cuore, che ha una struttura a spirale, permettendo ai miociti di avere una disposizione longitudinale coerente alle linee di forza contrattile necessarie ad espellere il sangue nel modo più efficientemente possibile. Vengono usati dei substrati idonei per far crescere le staminali a livello cardiaco, in modo che si possa rigenerare la struttura scheletrica del cuore. Andando a vedere la frazione di eiezione, durante i primi studi con staminali, si ottenevano buoni risultati a livello della parete cardiaca danneggiata. Successivamente si è visto che al posto di iniettare le staminali la frazione di eiezione migliorava lo stesso anche se si iniettava semplicemente acqua, in quanto si aveva la sclerotizzazione del cuore garantendo comunque un aumento dell’eiezione.

Il cuore è costituito principalmente dal muscolo cardiaco, o miocardio. Vista dall’esterno, la maggior parte del cuore è costituita dalle spesse pareti dei ventricoli, le due camere inferiori. I due atri, che hanno pareti più sottili, sono situati sopra ai ventricoli. I grandi vasi sanguigni emergono dalla base del cuore: l’aorta e l’arteria polmonare portano il sangue dal cuore rispettivamente verso i tessuti periferici e verso i polmoni, le vene cave e polmonari riportano il sangue al cuore. Sulla superficie dei ventricoli corrono tre solchi contenenti le arterie coronarie e le vene coronarie che forniscono e raccolgono il sangue dal miocardio.

Funzioni delle vene e valvole

• La vena cava inferiore e la vena cava superiore portano il sangue dal corpo all’atrio destro.
• Le auricole o orecchiette sono componenti dell’atrio e servono ad aumentare il volume delle camere atriali, in quanto il volume solo degli atri sarebbe insufficiente.
• 4 vene polmonari che prendono il sangue dai polmoni e lo riportano al cuore.
• L’arco aortico presenta la carotide e contiene anche la componente sensoriale (barocettori).

Fibrillazione atriale, soprattutto nelle donne, è un’instabilità elettrica degli atri. Si è scoperto che uno dei punti di origine di questa alterazione era il punto in cui le vene polmonari si connettono all’atrio sinistro. Lo scopritore entrava con una sonda nel cuore e a livello di tale zona procedeva all’uccisione della cellula, mediante processo di ablazione, risolvendo la fibrillazione atriale in molti casi. In seguito a processi di embriogenesi cardiaca, si è scoperto che tale zona deriva da tessuti che hanno caratteristiche di autoritmicità. Queste cellule sono più lente rispetto alle pacemaker, ma se non vengono investite dall’impulso primario o diventano più veloce del pacemaker primario generano la fibrillazione atriale.

I lati destro e sinistro del cuore sono separati fra loro da un setto (setto interatriale che separa gli atri; setto interventricolare che separa i ventricoli), quindi il sangue presente in un lato non può mescolarsi con quello dell'altro lato. I due lati del cuore si contraggono in maniera coordinata: prima si contraggono gli atri, poi i ventricoli. Il sangue fluisce dalle vene agli atri, e da qui, attraverso valvole unidirezionali, passa nei ventricoli, le camere di pompaggio. Il sangue lascia il cuore attraverso l’arteria polmonare dal ventricolo destro e attraverso l’aorta dal ventricolo sinistro. Le uscite dai ventricoli sono controllate da valvole che impediscono il riflusso del sangue verso il cuore una volta pompato nelle arterie.

Due gruppi di valvole assicurano l’unidirezionalità del sangue:

• Le valvole atrioventricolari porte tra gli atri e i ventricoli.
• Le valvole semilunari poste tra i ventricoli e le arterie.

Queste sono costituite da sottili lembi di tessuto attaccati con la loro base a un anello di tessuto connettivo. I lembi sono lievemente ispessiti a livello del bordo libero e si attaccano sul versante ventricolare a corde di tessuto ricco in collagene, le corde tendinee. L’interno del ventricolo non è liscio, in quanto si formano dei muscoli papillari, dove si innestano le corde tendinee. Questa struttura è presente in quanto le valvole atrio-ventricolari non devono aprirsi quando il ventricolo va in contrazione.

La contrazione dei muscoli papillari è leggermente anticipata rispetto a quella del ventricolo e la loro apertura e chiusura dipende dalla spinta del flusso ematico. Le due valvole AV non sono identiche. La valvola che separa l’atrio destro dal ventricolo destro presenta tre lembi ed è detta valvola tricuspide. La valvola tra l’atrio sinistro e il ventricolo sinistro possiede solo due lembi ed è detta valvola bicuspide, o valvola mitrale, a causa della somiglianza con l’alto copricapo, la mitra, indossato dal papa e dai vescovi. Le valvole semilunari si trovano nel punto di passaggio tra ventricoli e grosse arterie. La valvola aortica si trova tra il ventricolo di sinistra e l’aorta, mentre la valvola polmonare è localizzata tra il ventricolo di destra e l’arteria polmonare. Entrambe le valvole semilunari presentano tre lembi a forma di coppa che si chiudono di scatto quando il sangue, tentando di fluire indietro verso il ventricolo, le riempie.

Il ventricolo destro è come se avvolgesse il ventricolo sinistro. Tra atrio e atrio vi può essere il forame ovale durante la fase embrionale perché è inutile mandare il sangue ai polmoni nel neonato. 1/3 della popolazione ha il forame ovale aperto.

Circolazione coronarica

Costituisce la vascolarizzazione del miocardio. Se manca la pervietà delle coronarie si manifesta l’angina pectoris. Il circolo coronarico parte dall’aorta e termina nell’atrio destro.

Caratteristiche del miocardio

Gran parte della massa del cuore è costituita dalle cellule muscolari cardiache, o miocardio. La maggior parte del miocardio è contrattile ma circa l’1% delle cellule miocardiche è specializzato nel generare spontaneamente potenziali d’azione. Il cuore può contrarsi senza essere connesso con altre parti dell’organismo perché il segnale della contrazione è miogeno, cioè origina all’interno dello stesso miocardio. Il segnale per la contrazione proviene dalle cellule autoritmiche, definite anche pacemaker. Sono anatomicamente più piccole rispetto alle cellule contrattili, hanno una minore quantità di fibre contrattili, non possiedono sarcomeri organizzati e non contribuiscono alla forza di contrazione del cuore.

Nel cuore si ha una situazione sinciziale:

• Sincizio atriale
• Sincizio ventricolare

Che sono elettricamente separati. La contrazione risulta essere globale, di tutto il distretto.

Le cellule cardiache hanno le strutture intercalari che sono ricche di desmosomi, in modo da instaurare unitarietà meccanica. Sono collegate da gap junctions che instaurano unitarietà elettrica. Sono ricche di mitocondri e il volume può essere occupato fino al 25% dai mitocondri. Ciò rende le striature cardiache meno evidenti. Il metabolismo di tali cellule è di tipo aerobico. È un tessuto molto resistente alla fatica.

L’accoppiamento eccitazione-contrazione è meno complesso del muscolo scheletrico. I tubuli T sono posizionati in corrispondenza delle strie Z e non ci sono le triadi. La direzionalità delle cellule cardiache è fondamentale anche da un punto di vista elettrico, in quanto esso deve viaggiare secondo circuiti preferenziali e a velocità definite. La corrente quando arriva a livello della gap junction trova una resistenza piccola, ma nonostante questo garantiscono il passaggio della corrente.

Il reticolo sarcoplasmatico delle cellule miocardiche è meno esteso rispetto a quello delle cellule muscolari scheletriche, riflettendo il fatto che il miocardio dipende in parte dal Ca²⁺ extracellulare per iniziare la contrazione. Sotto questo aspetto, il miocardio assomiglia al muscolo liscio. Circa un terzo del volume di una cellula cardiaca contrattile è occupato da mitocondri. È stato stimato che il miocardio utilizza circa il 70-80% dell’ossigeno trasportato dal sangue che irrora il cuore.

Le cellule muscolari cardiache sono molto più piccole delle cellule muscolari scheletriche e possiedono un singolo nucleo. Lo striato muscolare ha un’abbondante innervazione la cui funzione è quella di attivare la contrazione muscolare, attraverso la placca neuromuscolare con il rilascio di acetilcolina. Nel cuore vi è un’abbondante innervazione, ma non serve per indurre la contrazione, in quanto è di tipo autogenerata dalle proprietà autoritmiche delle cellule del nodo del seno.

Nel muscolo scheletrico si ha l’unità motoria e il rapporto tra innervazione e fibre muscolari innervate può variare. Nel muscolo scheletrico si ha un periodo refrattario assoluto breve. Si ha il tetano che risulta essere uno strumento ottimale per sostenere contrazione rapida. Nel cuore la contrazione è più lunga (250ms) e la stragrande maggioranza del tempo è di refrattarietà assoluta. Nel cuore non si ha tetano, che causerebbe la morte.

Le fibre cardiache sono collegate al tessuto fibroso che costituisce la struttura scheletrica del cuore, nel muscolo non esiste.

Aspetti generali della contrazione

Anche nel miocardio il potenziale d’azione avvia l’accoppiamento eccitazione-contrazione, con la differenza che tale potenziale d’azione è originato in modo spontaneo a livello delle cellule pacemaker cardiache e si diffonde alle cellule contrattili attraverso le gap junction. Quando un potenziale d’azione raggiunge una cellula contrattile, esso diffonde lungo il sarcolemma e i tubuli T, a livello dei quali determina l’apertura dei canali voltaggio-dipendenti per il calcio presenti nella membrana cellulare. Attraverso questi canali, il calcio entra nella cellula e promuove l’apertura dei recettori canali per rianodina RyR presenti nel reticolo sarcoplasmatico. I recettori per la rianodina sono dei canali per il calcio e la loro apertura innesca un processo noto come rilascio del calcio indotto da calcio. Il calcio accumulato nel reticolo sarcoplasmatico fluisce nel citosol, provocando una scarica “spark” di calcio. Il calcio rilasciato dal reticolo sarcoplasmatico costituisce circa il 90% di quello necessario alla contrazione muscolare. Il calcio si lega alla troponina e innesca la formazione dei ponti trasversi e quindi il movimento. Non appena la concertazione citoplasmatica di calcio diminuisce, gli ioni calcio si staccano dalla troponina e la miosina rilascia l’actina e i filamenti contrattili scorrono indietro verso la loro posizione di riposo. Gli ioni calcio sono trasportati nel reticolo sarcoplasmatico con l’aiuto di una calcio-ATPasi, inoltre possono essere anche rimossi mediante uno scambiatore secondario, il trasportatore sodio-calcio. La forza generata dal miocardio è proporzionale al numero di ponti trasversi attivi: questo numero è a sua volta determinato dalla quantità di calcio legato alle molecole di troponina.

Grafico a sx: in blu si ha il potenziale d’azione ventricolare. In rosso si ha una curva di tensione. Il potenziale d’azione ventricolare è dato da una fase di salita veloce dovuta alle correnti di sodio, la fase di plateau dall’ingresso di calcio e la fase di ripolarizzazione data da correnti di potassio. Se si sovrappone la curva della tensione, il picco della tensione corrisponde all’ultimo terzo del potenziale d’azione. Il PA rispecchia le cinetiche molecolari degli eventi accompagnati all’accoppiamento eccitazione-contrazione. Il rilascio di calcio dal reticolo, il calcio nel citoplasma interagisce con le proteine contrattili → contrazione. Tutti questi processi hanno delle tempistiche ben definite con un ritardo temporale legato ai processi. Ciò è rilevante da un punto di vista biomedico.

Nel secondo grafico si vede la permeabilità di membrana in funzione del tempo e gli andamenti dei vari ioni. Il flusso di sodio e il potenziale d’azione determinano un fast upstroke per potenziale da -90mV a +30 mV. Tutto questo perché i canali del sodio si attivano e inattivano molto velocemente. Il potenziale d’azione viaggia attraverso i tubuli T portando ad un aumento della concentrazione di calcio nella cellula in modo da garantire l’accoppiamento eccitazione contrazione.

Aspetti metabolici

Metabolismo aerobico, contraddistinto dalla presenza di numerosi mitocondri, e in condizione di stress anche ad acido lattico. La maggior parte deriva dagli acidi grassi e poco dagli zuccheri. L’efficienza cardiaca, in condizione fisiologiche, è del 25% e il 75% viene perso sotto forma di calore. Nello scompenso cardiaco si può avere una riduzione dell’efficienza cardiaca del 5%.

Ciclo cardiaco

Grafico in cui vengono messe in relazione le diverse fasi meccaniche del ciclo cardiaco con parametri specifici.

• Elettrocardiogramma
• Variazioni dei toni cardiaci
• Pressione aortica (in verde)
• Pressione del ventricolo sinistro
• Pressione dell’atrio sinistro
• Volumi del ventricolo sinistro

Un ciclo cardiaco presenta due fasi: la diastole, il periodo in cui il miocardio è rilasciato, e la sistole in cui il muscolo è contratto.

1. Il cuore a riposo: diastole atriale e ventricolare. In questa fase, gli atri si stanno riempiendo e ricevono il sangue refluo dalle vene, mentre i ventricoli hanno appena terminato la loro contrazione. Appena i ventricoli si rilascino le valvole AV si aprono permettendo al sangue di fluire dagli atri verso i ventricoli. I ventricoli rilasciati si espandono per accogliere il sangue che entra.
2. Completamento del riempimento ventricolare: sistole atriale. Nonostante la maggior parte del sangue entri nei ventricoli quando gli atri sono rilasciati, un ulteriore 20% del riempimento di verifica durante la contrazione atriale che spinge il sangue nei ventricoli. La sistole atriale inizia a seguito dell’onda di depolarizzazione che attraversa gli atri. L’aumento di pressione che accompagna la contrazione spinge il sangue nei ventricoli. L’aumento pressorio che si associa alla contrazione fa rifluire una piccola quantità di sangue verso le vene: nonostante le aperture delle vene si stringano durante la contrazione, non ci sono vere e proprie valvole unidirezionali che impediscano il riflusso.
3. Fase iniziale della contrazione ventricolare e primo tono cardiaco: mentre gli atri si contraggono...