Fisiologia Umana: Modulo 3, Fisiologia Cardiovascolare

Fisiologia Cardiovascolare

Apparato cardiovascolare e potenziali d'azione cardiaci

Definizioni L'apparato cardiovascolare è costituito da tre elementi:

1. Il cuore: organo muscolare centrale dell'apparato cardiovascolare che svolge la funzione di pompa attraverso cui rifornisce tutti i distretti corporei di ossigeno
2. I vasi sanguigni: un sistema di canali interconnessi
3. Il sangue: un vettore fluido

Le principali funzioni dell'apparato cardiovascolare sono le seguenti:

1. Distribuzione (per esempio di ossigeno)
2. Rimozione (per esempio di anidride carbonica)
3. Trasporto (per esempio di ormoni)
4. Mantenimento (per esempio della temperatura corporea)
5. Prevenzione (per esempio di malattie infettive).

Sangue

Il sangue è costituito da:

1. Elementi corpuscolati: rappresentano cellule o frammenti di esse; ne fanno parte i globuli rossi (circa il 99% di tutte le cellule del sangue; svolgono la funzione di trasporto dell'ossigeno), i globuli bianchi (leucociti) e le piastrine. Si definisce ematocrito la percentuale di volume di sangue composto da eritrociti.
2. Componente fluida rappresentata dal plasma.

Il sangue si muove per flusso di massa in quanto tutte le sue componenti si muovono verso la stessa direzione, mossi dall'azione di pompaggio del cuore. Considerando una persona di 70 kg, il volume totale di sangue è di circa 5.5 litri, suddivisi in 2.5 di eritrociti (non vengono considerati i volumi di globuli bianchi e piastrine in quanto trascurabili) e 3.5 di plasma. In ogni istante solo il 5% del sangue circolante si trova nei capillari per svolgere la sua funzione di scambio di sostanze con i tessuti.

Cuore

Il cuore è suddiviso in due metà (destra e sinistra), ognuna delle quali presenta un atrio ed un ventricolo comunicanti tra di loro. I due ventricoli sono anatomicamente separati dal setto interventricolare che ne impedisce la comunicazione. I due atri consentono il passaggio di sangue verso i rispettivi ventricoli grazie all'apertura passiva delle valvole atrio-ventricolari. I due ventricoli riverseranno il loro contenuto nell'arteria aorta (circolazione sistemica che coinvolge il ventricolo sinistro) e nell'arteria polmonare (circolazione polmonare che coinvolge il ventricolo destro) grazie alla presenza ed all'apertura passiva della valvola aortica e della valvola polmonare. L'apertura e chiusura passiva delle valvole è determinata da variazioni di pressione. In particolare, il sangue si muoverà da una zona a pressione maggiore ad una a pressione minore. Il tessuto muscolare cardiaco è un ibrido tra il tessuto muscolare scheletrico ed il tessuto muscolare liscio. Esso presenta caratteristiche appartenenti ad entrambe i tessuti: è striato ma involontario. Grazie alla presenza di giunzioni serrate che connettono le cellule cardiache, la propagazione del potenziale d'azione tra di esse sarà molto rapido. Durante la contrazione del muscolo cardiaco (ad ogni battito) tutte le cellule cardiache saranno attivate (a differenza del muscolo scheletrico in cui vengono attivate selettivamente), eccetto un gruppo specializzato di cellule che svolge la funzione essenziale di generazione e propagazione rapida dell'impulso (sistema di conduzione). La contrazione delle cellule cardiache farà avvicinare tra di loro le pareti delle camere (come un pugno chiuso), permettendo ad esse di esercitare pressione sul sangue in esso contenuto.

Vasi sanguigni

Per quanto riguarda i vasi possiamo distinguere essenzialmente quattro tipi di condotti:

1. Arterie
2. Arteriole
3. Vene
4. Capillari

Le caratteristiche e le funzioni dei vasi verranno trattati in maniera più approfondita nei prossimi paragrafi. In generale, i vasi svolgono funzioni di trasporto (arterie e vene), scambio di nutrienti e rimozione di sostanze di scarto (capillari) e di regolazione della pressione arteriosa (arteriole).

Circolazione

Distinguiamo due circuiti che, attraverso il coinvolgimento di tutti e tre gli elementi sopra-descritti (cuore - vasi -sangue), permettono lo svolgimento delle funzioni essenziali dell'apparato cardiovascolare: Circolazione polmonare: questo circuito ha l'obiettivo di rendere il sangue deossigenato (povero d'ossigeno) proveniente dalla periferia, nuovamente ricco di ossigeno da distribuire a tessuti e organi dell'organismo. Si sviluppa come segue: L'atrio destro riceverà il sangue deossigenato (proveniente dai tessuti) dalla vena cava e lo riverserà nel ventricolo destro che, a sua volta, lo eietterà nell'arteria polmonare comune. Quest'ultima, si dividerà in due arterie polmonari che condurranno il sangue ai polmoni (all'interno dei quali il sangue verrà riossigenato - vedere modulo 4). Attraverso le vene polmonari, il sangue (adesso ossigenato) raggiungerà l'atrio sinistro. Circolazione sistemica: questo circuito ha l'obiettivo di distribuire il sangue ricco di ossigeno proveniente dai polmoni, a tessuti e organi dell'organismo e di riportare al cuore il sangue ricco di anidride carbonica e sostanze di scarto. Si sviluppa come segue:

L'atrio sinistro riceverà il sangue ossigenato (proveniente dai polmoni) dalle vene polmonari e lo riverserà nel ventricolo sinistro che, a sua volta, lo eietterà nell'arteria aorta. Quest'ultima, condurrà il sangue ossigenato verso i tessuti per permettere lo scambio di sostanze a livello capillare. A questo livello, il sangue (che adesso sarà povero di ossigeno e ricco di anidride carbonica) verrà riportato, attraverso le vene sistemiche, alla vena cava che, a sua volta, lo riverserà nell'atrio destro per favorirne l'ossigenazione.

Innervazione del cuore

Il cuore è innervato dal sistema nervoso autonomo. Il sistema parasimpatico innerva maggiormente gli atri ed agisce attraverso il rilascio di acetilcolina. Il sistema simpatico innerva tutto il cuore ed agisce attraverso il rilascio di noradrenalina. I recettori beta-adrenergici accoglieranno la noradrenalina, ma saranno in grado di accogliere anche l'adrenalina prodotta dalla midollare del surrene. L'innervazione parasimpatica avrà un effetto cronotropo negativo (abbassamento della frequenza cardiaca) L'innervazione simpatica avrà un effetto cronotropo positivo (innalzamento della frequenza cardiaca) ed inotropo positivo (aumento della contrattilità cardiaca). Gli effetti di questi due sistemi sul cuore verranno approfonditi nei prossimi paragrafi. Da sottolineare che, a differenza del muscolo scheletrico in cui si assisterà solo ad un effetto eccitatorio, la stimolazione nervosa sul tessuto cardiaco può avere un effetto sia eccitatorio che inibitorio.

Sistema di conduzione

Il potenziale d'azione necessario alla contrazione ventricolare origina nel nodo senoatriale (cellule pacemaker), un gruppo specializzato di cellule che ha la capacità di depolarizzarsi spontaneamente. Il potenziale d'azione verrà trasmesso prima agli atri e poi ai ventricoli attraverso

una serie di strutture deputate alla conduzione dell'impulso. Il passaggio dalla depolarizzazione atriale a quella ventricolare avviene grazie al nodo atrio-ventricolare. Quest'ultimo è particolarmente importante in quanto la sua lentezza nella propagazione (ritardo di circa 13 ms) consente il completamento della contrazione atriale prima dell'inizio di quella ventricolare. Dal nodo atrioventricolare, la depolarizzazione si trasmetterà attraverso la branca sinistra e destra del fascio di His verso entrambe i ventricoli che, grazie alle fibre del Purkinje, trasmetteranno l'impulso a tutte le cellule miocardiche. La trasmissione dell'impulso tra tutte queste strutture avviene in modo molto veloce grazie alla presenza delle giunzioni serrate. Eventuali anomalie o aritmie relative al sistema di condizione possono essere identificate tramite l'analisi di un tracciato elettrocardiogram cui distinguiamo:

• L'onda P: rappresenta la depolarizzazione atriale
• Il processo QRS: rappresenta la depolarizzazione ventricolare
• L'onda T: rappresenta la ripolarizzazione ventricolare.

Non vi è la possibilità di identificare la ripolarizzazione atriale in quanto risulta nascosta dal complesso QRS.

Potenziali d'Azione Cardiaci

Potenziale d'azione Pacemaker

Tipico delle cellule del nodo senoatriale. Presenta una caratteristica unica che non ritroviamo in altre cellule: non si osserva uno stato di riposo stabile della membrana che, invece, si avvale di una continua e progressiva depolarizzazione. Quest'ultima è determinata principalmente da tre fattori:

1. Canali voltaggio-dipendenti del sodio F ("funny") che si aprono a valori negativi del potenziale di membrana
2. Presenza di alcuni canali del calcio voltaggio-dipendenti che, attraverso l'entrata di calcio, contribuiranno alla depolarizzazione della membrana
3. La bassa permeabilità della membrana agli ioni potassio

Sia il sistema simpatico che il sistema parasimpatico hanno la capacità di modulare il potenziale pacemaker e, di conseguenza, la frequenza cardiaca (effetto cronotropo positivo o negativo). Il simpatico avrà un effetto cronotropo positivo che produrrà una fase di depolarizzazione più rapida che, a sua volta, si tradurrà in un aumento della frequenza cardiaca. Un aumento del tono parasimpatico si rifletterà in una più lenta fase di depolarizzazione del potenziale pacemaker che, a sua volta, si tradurrà in una diminuzione della frequenza cardiaca. Intrinsecamente il cuore batte a circa 100 battiti al minuto. Tuttavia, a riposo prevale il tono parasimpatico con effetto cronotropo negativo che porterà la frequenza cardiaca intorno a 60-70 battiti al minuto (frequenza cardiaca riposo).

Potenziale d'azione miocardico

Il potenziale d'azione miocardico si avvale di tre fasi:

1. Depolarizzazione rapida - alta permeabilità al sodio e bassa al calcio e al potassio
2. Plateau - alta permeabilità al calcio e bassa al sodio e al potassio
3. Ripolarizzazione - alta permeabilità al potassio e bassa al sodio e al calcio

La caratteristica fondamentale (che differenzia questo potenziale da quello muscolare) risiede nella fase centrale di Plateau. Questa fase si caratterizza per la presenza dei canali di calcio di tipo L (lenti) che restano aperti per un periodo relativamente lungo, mantenendo depolarizzata la membrana per circa 200-250 ms. La fase iniziale di depolarizzazione rapida è simile a quella vista già nel potenziale d'azione muscolare ed è principalmente dovuta all'entrata massiva di sodio attraverso il meccanismo a feedback positivo. La fase di ripolarizzazione è caratterizzata dall'inattivazione dei canali di calcio