Sistema cardiovascolare: fisiologia I

Sistema cardiovascolare: Che cos'è e a cosa serve

Il sistema cardiovascolare è il sistema che provvede a portare il sangue a tutto il corpo e ai visceri, dando priorità ad alcuni organi (fondamentalmente al cervello e al cuore) a discapito di altri (soprattutto in alcune condizioni particolari, ad esempio durante l’esercizio fisico). Questo sistema si occupa di distribuire a tutte le cellule dei vari tessuti i nutrienti per la loro sopravvivenza (lipidi, glucidi, protidi) e allo stesso tempo di rimuovere gli scarti dei tessuti stessi (fondamentalmente CO₂), ma anche di fornire il comburente delle reazioni cellulari fondamentali (O₂), vitamine, ormoni e altre sostanze. Si occupa inoltre di mantenere un bilancio energetico e termico.

Componenti del sistema cardiovascolare

È costituito da varie parti tra cui si riconosce un organo che funziona da pompa (il cuore), condotti che distribuiscono il sangue (vasi) e reti di rapido scambio (capillari) ripieni di sangue, essenziale per il trasporto. Il cuore è fatto da due pompe: una spinge il sangue ai polmoni (circolazione polmonare) per assicurare lo scambio di O₂ e CO₂, l’altra spinge il sangue in tutti i tessuti del corpo per nutrirli (circolazione sistemica). Il flusso del sangue, unidirezionale, è assicurato dai lembi valvolari.

Funzionamento del sistema

Sebbene la gittata (o gettata) cardiaca sia intermittente (poiché a un momento di contrazione, la sistole, segue uno di rilasciamento del cuore, diastole), nei tessuti (periferia) il flusso diventa continuo in virtù della dilatazione dell'aorta e delle sue branche.

Il circuito cardiovascolare inizia nell’atrio destro, che lo trasferisce al ventricolo sinistro e da lì alle reti capillari dei polmoni (con una pressione media che è circa sette volte superiore alla pressione vigente nelle arterie sistemiche). Dai capillari polmonari, dove il sangue rilascia CO₂ e si carica di O₂, il sangue rientra nel cuore attraverso l’atrio destro e poi viene pompato alla periferia dal ventricolo sinistro, completando in questo modo il ciclo.

Resistenza e struttura dei vasi sanguigni

La resistenza del flusso è minima nelle arterie di grosso calibro e raggiunge valori massimi in corrispondenza delle arteriole, dove avviene una notevole caduta di pressione e il flusso si trasforma da pulsatile in continuo. In questo, sicuramente, svolge un ruolo importante il fatto che le dimensioni dei vasi sanguigni si assottigliano mano a mano che procedono verso la periferia. Anche la loro struttura si modifica: l’aorta ha una struttura parietale prevalentemente elastica, le arterie periferiche hanno un tessuto più muscolare e nelle arteriole troviamo un tessuto che è prevalentemente muscolare.

L’area totale della sezione trasversa del letto capillare è molto più grande dell’area della sezione trasversa dell’arteriola d’origine: per questo il flusso del sangue nel letto capillare diminuisce, per poi incrementare nel percorso di ritorno al cuore. È in corrispondenza dei capillari infatti che avvengono gli scambi tra sangue e tessuti.

Consumo di ossigeno e cellule cardiache

Grazie a questo scambio vengono consumati circa 250 ml di ossigeno al minuto in modo non uniformemente distribuito nei vari tessuti (soltanto i muscoli, ad esempio, consumano circa il 25% del totale dell’ossigeno inspirato e messo in circolo). Così come nel muscolo scheletrico e anche nei neuroni, anche nel muscolo cardiaco abbiamo cellule soggette a eccitazione, sebbene questa sia molto diversa nei vari tessuti. Le cellule del cuore determinano contrazione poiché generano potenziali d’azione (visualizzabili con l’ECG).

Tipi di potenziali d'azione

Il cuore (il potenziale d’azione delle cellule del muscolo cardiaco è circa 100 volte più lungo del potenziale d’azione che si ha nelle cellule del muscolo scheletrico) produce due tipi di potenziale d’azione: uno a risposta rapida che si verifica nei normali cardiomiociti e nel tessuto di conduzione (fibre di Purkinje) che si divide in 5 fasi (fase 0: ascesa del potenziale; fase 1: breve ripolarizzazione iniziale; fase 2: plateau; fase 3: ripolarizzazione; fase 4: potenziale di riposo) e uno a risposta lenta (manca la fase 1 di breve ripolarizzazione iniziale) che si verifica nei nodi SA e AV, rispettivamente il pacemaker del cuore e il tessuto di conduzione dell’impulso cardiaco dagli atri ai ventricoli.

Il potenziale di riposo delle fibre a risposta rapida è molto più negativo di quelle a risposta lenta. Maggiori sono anche la pendenza della depolarizzazione rapida (fase 0) e l’ampiezza del potenziale d’azione, cioè i due principali fattori che determinano la velocità di propagazione dei potenziali d’azione. Per questo motivo le fibre a risposta lenta hanno minor velocità di conduzione delle fibre a risposta rapida. La durata del potenziale d’azione di norma va in parallelo con la durata della contrazione.

Fasi del potenziale d'azione

La fase 0 si verifica appena prima che avvenga l’effettiva contrazione e la ripolarizzazione totale della cellula appena prima che si sia completata la fase 4 (raggiungimento del potenziale di riposo). Le varie fasi del potenziale d’azione sono associate alla modificazione della permeabilità della membrana a vari ioni come Na+, K+ e Ca²⁺ (e quindi ai cambiamenti del Vm, voltaggio della membrana). [K+] è notevolmente superiore all’interno della cellula che all’esterno; sodio e calcio sono più concentrati all’esterno. Per questo motivo il potassio tende a diffondere all’esterno della cellula. La membrana cellulare è più permeabile al potassio che al sodio e al calcio.

Esistono diversi tipi di canali del K+, alcuni regolati dal potenziale di membrana (regolati cioè dal voltaggio, come i canali che conducono la corrente al K+ rettificante in ingresso durante la fase 4), altri da segnali chimici (come la [acetilcolina] extracellulare). Nella cellula cardiaca a riposo, la conduttanza del K+ è circa 100 volte maggiore di quella al Na+. Pertanto, Vm è prossimo al potenziale di equilibrio di Nernst per il K+ e variazioni di [Na+] extracellulare non modificano significativamente Vm.

Potenziali d’azione a risposta rapida

Fase ascendente (fase 0). Consiste nella formazione di un potenziale d’azione per uno stimolo che modifichi il potenziale di riposo di membrana fino a renderlo superiore a un valore soglia (di circa -65 mV). Questa modifica del potenziale di riposo è dovuta a un ingresso di Na+ nel miocita per l’aumento della conduttanza di Na+ (g_Na) (quando [Na+] da 140 mEq/L raggiunge i 20 mEq/L circa, la cellula non è più eccitabile). Il Na+ entra grazie a canali rapidi voltaggio-dipendenti che si attivano in circa 0,1 ms provocando un improvviso aumento di g_Na; in 1-2 ms dopo che si sono aperti si inattivano riducendo rapidamente g_Na; rimangono inattivi fino a che la membrana non si ripolarizza (periodo di refrattarietà assoluta). Quando questo avviene i canali voltaggio-dipendenti passano dallo stato inattivo allo stato chiuso, e inizialmente possono essere riaperti da un’altra depolarizzazione che sia però indotta da un pda (potenziale d’azione) superiore alla norma, solo quando Vm è tornato ai suoi valori di riposo per generare un altro impulso servirà un normale pda.

Ripolarizzazione precoce (fase 1). Questa fase consiste in una breve ripolarizzazione della membrana dovuta al fatto che l’interno della cellula è positivo e contiene [K+] maggiore rispetto all’esterno della cellula e quindi il K+ fuoriesce per poco tempo dalla cellula, provocando una leggera ripolarizzazione della membrana cellulare. Questa corrente del K+ è chiamata ito (i sta per corrente, to = transient outward).

Plateau (fase 2). Il plateau, o fase piatta, è dovuto all’entrata nella cellula degli ioni Ca²⁺ (che entrano grazie a canali voltaggio-dipendenti che si attivano e inattivano molto più lentamente dei canali del Na+) che è controbilanciata dalla fuoriuscita degli ioni K+. Le correnti del K sono ito, iK e iK1. I canali del Ca²⁺, che si attivano quando Vm diventa meno negativo, sono di due tipi: tipo L e tipo T. I tipi L (long lasting) si inattivano lentamente e forniscono quindi una corrente di Ca²⁺ di lunga durata. Sono attivati quando il potenziale d’azione è in fase ascendente e Vm è circa -20 mV. I canali del Ca²⁺ di tipo T (transient) sono molto meno frequenti nel cuore e vengono attivati quando Vm è molto più negativo (circa -70 mV). L’apertura dei canali del calcio aumenta notevolmente g_Ca2+ (conduttanza al calcio) e gli ioni calcio, più concentrati all’esterno delle cellule, entrano nei miociti per tutta la fase di plateau (quest’ingresso del Calcio determina l’accoppiamento eccitazione-contrazione). Il neurotrasmettitore adrenergico noradrenalina e altre catecolamine possono aumentare la conduttanza al calcio, il neurotrasmettitore parasimpatico acetilcolina la riduce.

Verso la fine della fase 0 Vm inizia ad assumere valori positivi e g_K si riduce (questa riduzione di g_K+ è dovuta ai canali di rettificazione in ingresso che si attivano quando Vm è positiva), evitando una perdita eccessiva di K+ al momento della fase 2. I canali di rettificazione ritardata si attivano invece, lentamente, verso la fine della fase 0 e incrementano durante la fase 2, contribuendo alla ripolarizzazione finale (sono di due tipi i_Ks e i_Kr, che si attivano rispettivamente più velocemente e più lentamente).

Ripolarizzazione finale (fase 3): comincia quando la corrente uscente di K+ (ito, iK e iK1) comincia a superare l’ingresso di Ca²⁺. Nei miociti endocardici la durata del potenziale è minima e iK è massima; nel mesocardio avviene l’inverso. Nell’epicardio si ha una iK intermedia e una medesima durata del potenziale d’azione.

Ritorno al potenziale di riposo (fase 4). Il ritorno al potenziale di riposo avviene grazie a un antiporto 3Na⁺-1Ca²⁺, una pompa del Ca⁺ alimentata dall’ATP e una Na⁺,K⁺-ATPasi.

Potenziali d’azione a risposta lenta

(Nell’immagine che ho trovato viene inserita anche la fase 1 che nei miei appunti è considerata non facente parte della corrente delle cellule pacemaker, cioè del potenziale d’azione a risposta lenta. Guardando l'immagine, si nota come queste fasi siano distinte e specifiche per diversi tipi di cellule cardiache.)