Organizzazione del Sistema cardiovascolare

Sistema cardiocircolatorio

Organizzazione del sistema cardiovascolare

Schema generale

Il sistema cardiocircolatorio è composto dal cuore, dai vasi sanguigni (che collegano il cuore agli altri organi) e dal sangue. Il cuore è posto nella cavità toracica, all'interno di un sacco fibroso detto pericardio.

Il cuore è composto da tre tipi di tessuto:

• Endocardio: tessuto più interno che riveste le camere cardiache.
• Miocardio: tessuto muscolare intermedio, molto abbondante. Il miocardio è diviso dal punto di vista funzionale in miocardio atriale, miocardio ventricolare e cellule pacemaker. Il miocardio atriale e ventricolare sono divisi da uno strato di connettivo fibroso (scheletro fibroso del cuore) nel quale sono inserite le valvole AV.
• Epicardio: tessuto più esterno, contiene i vasi coronarici ed è strettamente adeso al pericardio.

Il piccolissimo spazio tra la parete interna del pericardio e l'epicardio è riempito con un fluido che funge da lubrificante per facilitare il movimento del cuore dentro il sacco.

Il cuore è diviso in una metà destra e una sinistra, ognuna composta da un atrio e un ventricolo. I due ventricoli sono separati da una parete muscolare chiamata setto interventricolare. Tra l'atrio e il ventricolo di ogni metà sono posizionate le valvole atrioventricolari (AV), che permettono al sangue di fluire dall'atrio al ventricolo ma non dal ventricolo all'atrio. La valvola AV destra è detta tricuspide (perché ha tre margini fibrosi), mentre la valvola AV sinistra è detta bicuspide (o valvola mitrale).

L'apertura e chiusura delle valvole AV sono processi passivi che dipendono dalle differenze di pressione ai capi delle valvole stesse. Quando Patrio > Pventricolo la valvola è spinta ad aprirsi e il sangue fluisce dall'atrio al ventricolo. Al contrario, quando Patrio < Pventricolo, la valvola AV è forzata a chiudersi. Quindi, normalmente il sangue non torna indietro nell'atrio, ma è forzato a fluire dal ventricolo destro nel tronco polmonare comune e dal ventricolo sinistro all'aorta. Per impedire che le valvole AV siano spinte nell'atrio quando i ventricoli sono contratti, le valvole sono collegate da fasci fibrosi (corde tendinee) ai muscoli papillari, i quali intervengono per limitare il movimento delle valvole e prevenire il loro ribaltamento.

L'accesso del ventricolo destro all'arteria polmonare è controllato dalla valvola polmonare mentre l'accesso del ventricolo sinistro all'aorta è controllato dalla valvola aortica. Queste valvole, chiamate valvole semilunari, permettono al sangue di scorrere nelle arterie durante la contrazione ventricolare ma prevengono il movimento in senso opposto durante il rilassamento ventricolare. Come le valvole AV, agiscono in maniera passiva: il fatto che siano chiuse o aperte dipende dalla differenza di pressione ai loro capi.

Un'altra importante caratteristica delle valvole cardiache è che, quando sono aperte, oppongono una resistenza molto bassa al flusso; di conseguenza, variazioni di pressione molto piccole ai loro lati producono flussi abbondanti.

Struttura del muscolo cardiaco

La maggior parte delle cellule del cuore è costituita da cellule muscolari specializzate dette cardiomiociti. I cardiomiociti hanno un aspetto striato come le cellule del muscolo scheletrico, ma presentano alcune differenze:

• I miociti hanno dimensioni minori rispetto alle cellule del muscolo scheletrico.
• I tubuli T dei miociti hanno un diametro molto maggiore rispetto a quelli del muscolo scheletrico.
• Il reticolo sarcoplasmatico dei miociti è minore rispetto a quello del muscolo scheletrico.
• A riposo, il Ca non satura mai tutti i siti della troponina, quindi non sono presenti tutti i ponti trasversali possibili.
• I miociti presentano numerose ramificazioni.
• Ogni miocita è unito all'altro attraverso un disco intercalare, nel quale sono presenti desmosomi e gap junction: questi permettono la propagazione immediata del potenziale d'azione e il funzionamento di atri e ventricoli come sincizi funzionali.

I cardiomiociti sono organizzati in strati strettamente interconnessi che circondano completamente le camere cardiache. Quando le pareti delle camere si contraggono, esse si avvicinano tra loro ed esercitano una certa pressione sul sangue che contengono. Tutte le cellule cardiache si contraggono a ogni battito del cuore.

Il muscolo cardiaco è un tessuto elettricamente eccitabile capace di convertire l'energia chimica immagazzinata nei legami dell'ATP per generare forza. I potenziali d'azione si propagano lungo le membrane cellulari, il Ca entra nel citoplasma e attiva la formazione dei ponti trasversi che generano forza.

Innervazione

Il cuore riceve un'abbondante innervazione da parte delle fibre ortosimpatiche, che innervano tutto il cuore e rilasciano principalmente noradrenalina, e delle fibre parasimpatiche (contenute nel nervo vago), che terminano in gran parte negli atri e rilasciano principalmente acetilcolina.

Caratteristiche del piccolo e del grande circolo

Dal cuore partono due tipi di circolazione:

• Circolazione polmonare (piccolo circolo): Il sangue refluo dei tessuti (sangue venoso) arriva all'atrio destro del cuore, da qui passa al ventricolo destro e attraverso le arterie polmonari (una per ogni polmone) arriva ai polmoni, nei quali viene ossigenato e può tornare all'atrio sinistro attraverso le vene polmonari; da qui viene portato al ventricolo sinistro.
• Circolazione sistemica (grande circolo): Dal ventricolo sinistro il sangue ossigenato viene eiettato nell'arteria aorta, la quale si ramifica in arteriole e in seguito in capillari portando il sangue in tutti gli organi. Il sangue refluo viene convogliato nelle venule, le quali si uniscono a formare vasi più grandi, le vene. Le vene provenienti da ogni organo si uniscono in due grandi vene: la vena cava inferiore, che porta al cuore il sangue refluo dalla parte inferiore del corpo, e la vena cava superiore, che porta al cuore il sangue refluo dalla parte superiore (sopra il cuore). Le vene cave si immettono nell'atrio destro.

Composizione, volume e funzioni del sangue

Un individuo adulto contiene circa 5 L di sangue. La parte liquida del sangue (plasma) è circa 3 L ed è composta da:

• H₂O (il 90%)
• Ioni extracellulari
• Molecole organiche
• Per esempio le proteine:
  • Albumine → coinvolte nella P osmotica
  • Globuline → funzione di trasporto
  • Fibrinogeno → importante per la coagulazione
• Oligoelementi e vitamine
• O₂ (ce n'è pochissimo disciolto nel sangue) e CO₂

La parte corpuscolare del sangue è circa 2 L ed è composta da:

• Globuli rossi (eritrociti)
• Globuli bianchi (leucociti)
  • Linfociti
  • Monociti
  • Granulociti polimorfonucleati
• Piastrine

Tutte le cellule del sangue derivano da una singola popolazione di cellule del midollo osseo chiamate cellule staminali ematopoietiche, le quali sono cellule indifferenziate capaci di originare i precursori di qualsiasi componente cellulare del sangue. La prima divisione produce cellule staminali linfoidi che originano i linfociti, oppure cellule staminali mieloidi che originano tutte le altre componenti del sangue.

La differenziazione in eritrociti è stimolata dalla eritropoietina (un ormone prodotto dai reni), mentre la differenziazione in leucociti è stimolata dalle interleuchine. C'è un feedback negativo tra O₂ e emopoiesi: se diminuisce l'apporto di O₂ ai reni, aumenta la secrezione di eritropoietina plasmatica. Questo fa aumentare la concentrazione di eritrociti e quindi aumenta la capacità di trasporto di O₂ del sangue.

Le cellule ematiche

Eritrociti

La principale funzione degli eritrociti è quella di trasportare ossigeno e anidride carbonica, legati in modo reversibile all'emoglobina. Gli eritrociti hanno la forma di un disco biconcavo; questa particolare forma conferisce un ampio rapporto superficie/volume in modo da permettere un più veloce scambio gassoso. Inoltre questa forma consente l'adesione alla parete dei capillari e una facile rottura.

La vita media di un eritrocita è di circa 120 giorni. La degradazione degli eritrociti danneggiati o vecchi avviene ad opera della milza e del fegato e libera bilirubina.

Leucociti

I leucociti svolgono funzioni immunitarie e si possono trovare anche al di fuori del sangue.

Piastrine

Le piastrine originano da frazioni di megacariociti, grosse cellule del midollo osseo. Sono fondamentali per la coagulazione.

Emostasi e coagulazione del sangue

L'arresto del sanguinamento viene definito emostasi. Possiamo dividere la coagulazione in tre fasi:

• Spasmo vascolare: In presenza di un danno a un vaso, si ha una contrazione della muscolatura liscia che circonda il vaso per aumentare la resistenza al flusso ematico. L'attivazione del sistema ortosimpatico provoca un'ulteriore vasocostrizione. In questo modo fluisce meno sangue all'area danneggiata.
• Formazione del tappo piastrinico: L'esposizione di tessuto subendoteliale richiama l'accumulo di una proteina plasmatica che attiva le piastrine, rendendole capaci di legarsi al collagene. Il legame delle piastrine al collagene induce il rilascio da parte delle piastrine del contenuto delle loro vescicole secretorie, il quale favorisce l'ulteriore adesione di nuove piastrine: è un feedback positivo. Vengono rilasciati:
  • Serotonina e adrenalina → aumentano la resistenza al flusso ematico
  • ADP → stimola variazioni morfologiche delle piastrine che ne favoriscono l'aggregazione piastrinica
  L'adesione delle piastrine induce nelle stesse la sintesi di trombossano, sintetizzato a partire dall'acido arachidonico, il quale stimola ulteriormente l'aggregazione piastrinica e il rilascio del contenuto delle vescicole secretrici. Il processo di formazione del tappo piastrinico non continua ad espandersi anche lateralmente alla zona di danno perché l'endotelio adiacente non danneggiato secerne sostanze (prostaciclina, NO) che inibiscono l'aggregazione piastrinica.
• Formazione del coagulo (o trombo): Il coagulo è formato da fibrina, una proteina che forma una gelatina che intrappola gli eritrociti e occlude la lacuna del vaso sanguigno. La formazione del coagulo è innescata dal collagene e da fattori tissutali. Consiste in una cascata di reazioni in cui il punto chiave è dato dall'enzima trombina che converte il fibrinogeno in fibre di fibrillina, le quali si intrecciano intrappolando plasmina e formando il coagulo. Anche il Ca nel sangue è importante in quanto attiva fattori di coagulazione che creano reazioni a feedback positivo. La lisi del coagulo tramite plasmina è detta fibrinolisi. Gli agenti anticoagulanti sono l'eparina e l'antitrombina III. Essi sono rilasciati dalle cellule endoteliali e impediscono il coagulo di tutto il sangue inibendo l'adesione piastrinica e la cascata della coagulazione.

Attività elettrica del cuore

Conduzione elettrica

Il cuore ha un sistema di conduzione che serve per:

• Generare impulsi ritmici → per causare contrazioni ritmiche
• Condurre tali impulsi con ordine → per consentire una contrazione ordinata

Il sistema di conduzione è composto da:

• Nodo senoatriale: Situato nell'atrio destro, in prossimità dello sbocco della vena cava superiore. È il sito dove si genera il potenziale d'azione.
• Via internodale: Conduce gli impulsi dal nodo senoatriale al nodo atrioventricolare.
• Nodo atrioventricolare: Localizzato alla base dell'atrio destro. Conduce gli impulsi che arrivano dal nodo SA ai ventricoli con ritardo in modo che la contrazione degli atri avvenga prima di quella dei ventricoli.
• Fascio di His: Fascio di fibre che decorre lungo il setto interventricolare per poi dividersi in un ramo destro e un ramo sinistro, i quali si dirigono verso l'apice del rispettivo ventricolo. Porta gli impulsi fino all'apice del ventricolo.
• Fibre di Purkinje: Sono le ultime diramazioni del fascio di His; sono grosse cellule di conduzione che distribuiscono rapidamente l'impulso alla maggior parte dei ventricoli. La conduzione è talmente rapida che causa la quasi contemporanea depolarizzazione di tutte le cellule del ventricolo, assicurando una contrazione coordinata.

Propagazione dell'impulso

La depolarizzazione del nodo SA genera un potenziale d'azione che produce una depolarizzazione che è propagata attraverso i cardiomiociti atriali con una velocità tale che i due atri si contraggono contemporaneamente. Il potenziale d'azione che è propagato attraverso i cardiomiociti dell'atrio destro causa la depolarizzazione del nodo AV. Dopo aver lasciato il nodo AV, il potenziale d'azione si propaga attraverso il setto interventricolare; questo percorso è composto dalle fibre del fascio di His. Il nodo AV e il fascio di His costituiscono l'unica connessione elettrica tra gli atri e i ventricoli; a parte questa via, gli atri e i ventricoli sono completamente separati da uno strato di tessuto connettivo.

All'interno del setto interventricolare, il fascio di His si divide nel ramo di destra e nel ramo di sinistra, che si separano in fondo al cuore ed entrano nella parete di entrambi i ventricoli. Queste fibre alla fine si connettono con le fibre del Purkinje, le quali distribuiscono rapidamente l'impulso alla maggior parte dei ventricoli. Infine, le fibre del Purkinje prendono contatto con i cardiomiociti ventricolari che propagano l'eccitazione al resto dei ventricoli. La rapida conduzione causa la contemporanea contrazione dei ventricoli.

Perché la contrazione avvenga in modo efficiente (corretto spostamento del sangue verso le valvole di uscita) essa deve seguire un ordine: prima devono contrarsi gli atri all'unisono, poi i ventricoli (sempre all'unisono) a partire dall'apice ed in seguito alla base. Questo ordine, soprattutto quello che riguarda i ventricoli, è molto importante perché se l'impulso si propagasse a partire dalla base del ventricolo per arrivare all'apice, sarebbe eiettata nelle arterie polmonari solo la parte di sangue contenuta in prossimità delle arterie, mentre quella contenuta nell'apice non sarebbe eiettata.

Caratteristiche elettriche delle cellule cardiache

Il potenziale d'azione generato dalle cellule cardiache ventricolari è un evento molto lungo: dura 300 ms.

• Il potenziale di membrana a riposo è molto vicino al potenziale di equilibrio del K (-90 mV).
• In corrispondenza del tempo 0 si aprono i canali a doppio gate del Na: il Na comincia ad entrare a causa del suo gradiente elettrochimico, depolarizzando la membrana. Quasi contemporaneamente la permeabilità al K diminuisce a causa della chiusura di canali aperti a riposo e questo contribuisce ulteriormente alla depolarizzazione.
• Poco dopo l'inizio della permeabilità al Na inizia quella del Ca: si aprono i canali L (long lasting) voltaggio-dipendenti del Ca, i quali rimangono aperti per un periodo prolungato stabilizzando la membrana ad un "plateau" di circa 0 mV.
• I canali del Ca si inattivano lentamente e si aprono i canali voltaggio-dipendenti del K: questo provoca la ripolarizzazione della membrana ai livelli di riposo.

I potenziali d'azione delle cellule atriali sono simili nella forma a quelli appena descritti per le cellule ventricolari, ma la durata della loro fase di plateau è inferiore.

Genesi del ritmo cardiaco

Le cellule pacemaker che compongono il nodo senoatriale riescono a generare spontaneamente potenziali d'azione, senza bisogno di stimoli nervosi o umorali. La genesi del potenziale d'azione avviene poiché queste cellule non hanno un potenziale di membrana a riposo stabile, bensì presentano una lenta e graduale depolarizzazione che guida il potenziale di membrana fino alla soglia alla quale si innesca un nuovo potenziale d'azione.

I valori minimi del potenziale di riposo sono alti (circa -50 mV) → arriva lentamente alla soglia. Il potenziale d'azione scatta a -40 mV. La depolarizzazione del nodo SA genera un potenziale d'azione che produce poi la depolarizzazione di tutte le altre cellule cardiache quindi la sua frequenza di scarica determina la frequenza cardiaca, cioè il numero di volte in cui il cuore si contrae in un minuto. La frequenza media è di 70 potenziali/min a riposo.

1. Potenziale di membrana a riposo (prepotenziale): In questa fase i canali del K⁺ classici sono chiusi. Al potenziale di -60 mV si aprono i canali funny (canali la cui permeabilità varia nel tempo) permeabili a K⁺ e Na⁺, i quali consentono l'ingresso di questi due ioni. Questo genera una lenta depolarizzazione fino al potenziale di -45 mV. A questo valore di potenziale si aprono i canali del Ca di tipo T (canali transienti; voltaggio-dipendenti), i quali consentono l'ingresso di Ca fino ad arrivare al valore di potenziale soglia (-40 mV), dopodiché si chiudono.
2. Potenziale d'azione: Raggiunto il potenziale soglia si aprono i canali del Ca di tipo L (long-lasting), i quali consentono l'ingresso di Ca. Essi rimangono aperti più a lungo e si inattivano lentamente (100-150 ms). L'ingresso di Ca genera una depolarizzazione che fa aprire i canali del K⁺, i quali provocano una ripolarizzazione. I canali del K⁺ si iniziano ad aprire dopo 100 ms ed è questo che fa durare molto il potenziale d'azione.