Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
ORGANIZZAZIONE DEL SISTEMA CARDIOVASCOLARE
Il sistema cardiovascolare è costituito da un insieme di vasi sanguigni connessi al cuore che si
comporta come una pompa emodinamica perché contraendosi genera una pressione che spinge
continuamente il sangue attraverso un sistema chiuso. La funzione principale dell’apparato
cardiovascolare è quella di far circolare il sangue. Mediante il sangue che funge da trasportatore, da
un lato rifornisce continuamente i tessuti di O2 (assunto mediante i polmoni), nutrienti ed acqua
(assorbiti dall’epitelio intestinale); dall’altro rimuove i cataboliti metabolici e la CO2 che le cellule
devono eliminare. Inoltre, il sistema cardiovascolare svolge una funzione importante nella
comunicazione intercellulare (ormoni e metaboliti) e nella difesa dell’organismo contro agenti
estranei (anticorpi e globuli bianchi). Infine, il sistema cardiovascolare regola la pressione sanguigna
e la temperatura. Nell’uomo il cuore, pur essendo un unico organo, è di fatto strutturalmente e
funzionalmente diviso in due sezioni da un setto (destra e sinistra) non comunicanti tra loro ed
ognuna composta da un atrio ed un ventricolo comunicanti tra loro mediante una valvola atrioventricolare: gli atri ricevono il sangue che ritorna al cuore, mentre i ventricoli si comportano come
due pompe emodinamiche che lavorano in serie e pompano il sangue in due sistemi circolatori
separati, ma disposti in serie e in parallelo (circolazione sistemica o grande circolazione e
circolazione polmonare o piccola circolazione). Il cuore sinistro ed il sistema vascolare che da esso
origina rappresentano la circolazione sistemica:
sistemica il ventricolo sinistro pompa il sangue ossigenato a
livello polmonare a tutti i tessuti dell’organismo, ad eccezione dei polmoni, tramite l’aorta. Il sangue
refluo da tutti gli organi ritorna all’atrio destro mediante la vena cava superiore ed inferiore. Il cuore
destro ed il sistema vascolare che da esso origina rappresentano la circolazione polmonare:
polmonare il
ventricolo destro pompa il sangue meno ossigenato refluo dai tessuti ai polmoni, tramite l’arteria
polmonare, per essere ossigenato. Il sangue refluo dai polmoni ritorna all’atrio sinistro mediante 4
vene polmonari. Sia la circolazione sistemica che polmonare comprendono:
sistema arterioso formato da arterie
1. un settore di distribuzione
distribuzione del sangue ad elevata pressione (sistema
che trasportano il sangue dal cuore verso la periferia);
2. una sezione vascolare che consente gli scambi tra sangue e fluidi interstiziali (sistema
sistema di scambio
formato da capillari sanguigni tissutali e polmonari);
sistema venoso formato da vene che
3. un settore di raccolta del sangue a bassa pressione (sistema
trasportano il sangue dalla periferia al cuore).
I due sistemi circolatori sono completamente separati,
separati pertanto non c’è mai mescolanza tra il sangue
refluo dai tessuti e quello refluo dai polmoni. Inoltre, i due sistemi circolatori sono disposti in serie in
quanto il sangue che viene spinto dal cuore di destra, attraverso il circolo polmonare, ritorna al cuore
di sinistra, viceversa il sangue che viene spinto dal cuore di sinistra, attraverso il circolo sistemico,
ritorna al cuore di destra. Da ciò deriva necessariamente che il volume di sangue pompato in un
circuito deve essere uguale a quello pompato nell’altro e, di conseguenza, la quantità di sangue che
ritorna al cuore, attraverso un circuito o l’altro, deve essere uguale. Se ciò non avvenisse, vi sarebbe
accumulo di sangue in uno dei due circuiti a detrimento dell’altro (condizione che si manifesta solo in
caso di una grave insufficienza di una metà del cuore rispetto all’altra). Le arterie della circolazione
sistemica, provenienti da ramificazioni dell’aorta, sono disposte in parallelo:
parallelo ciò significa che, mentre
i polmoni ricevono tutto il sangue pompato dal ventricolo destro, nel circolo sistemico ogni organo
dell’organismo riceve solo una frazione del sangue pompato dal ventricolo sinistro (13% all’encefalo;
4% al cuore; 24% al fegato e all’apparato gastro-enterico; 21% al muscolo scheletrico; 20% ai reni;
la % restante alla cute e altri organi). Pertanto, un aumentato afflusso di sangue ad un distretto
andrà a scapito di un altro. Partendo dall’atrio destro il percorso del sangue è il seguente :
1. dall’atrio destro il sangue venoso fluisce al ventricolo destro attraverso la valvola atrioventricolare tricuspide;
2. dal ventricolo destro il sangue è pompato nell’arteria polmonare attraverso la valvola polmonare
(arteria polmonare destra e sinistra) e raggiunge i capillari polmonari dove viene ossigenato,
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5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
3.
4.
5.
6.
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Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
grazie ai processi diffusivi dell’ossigeno e dell’anidride carbonica tra sangue contenuto nei
capillari e gli alveoli polmonari;
il sangue ossigenato ritorna all’atrio sinistro mediante le 4 vene polmonari;
dall’atrio sinistro il sangue fluisce al ventricolo sinistro attraverso la valvola atrio-ventricolare
bicuspide o mitrale;
dal ventricolo sinistro il sangue ossigenato viene pompato nell’aorta attraverso la valvola aortica.
L’aorta si ramifica in arterie sempre più piccole: la prima diramazione è rappresentata dalle arterie
coronarie che irrorano il miocardio; le branche ascendenti dell’aorta si dirigono agli arti superiori
e alla testa; l’aorta addominale porta il sangue al tronco, agli arti inferiori e agli organi interni
come i reni, il fegato e il tratto digerente. Dalle arterie si forma una rete capillare tissutale con
parete vasale molto sottile attraverso la quale vengono scambiati nutrienti, cataboliti e gas
respiratori tra sangue e spazio interstiziale, a livello di tutti i tessuti;
il sangue refluo dai tessuti di tutto l’organismo (ad eccezione dei polmoni) povero di ossigeno e
ricco di anidride carbonica e cataboliti (sangue venoso) è veicolato in vene di calibro crescente
che confluiscono nelle vene cave superiore ed inferiore, che sfociano nell’atrio destro.
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5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
CUORE
Richiami
ichiami anatomici
Il cuore è un organo complesso, prevalentemente di natura muscolare, provvisto di muscolatura
involontaria molto sviluppata e potente che si contrae ritmicamente, anche in assenza di stimoli
esterni; questa proprietà conferisce al cuore notevole autonomia funzionale e capacità di
sopravvivenza. Il cuore è grande come un pugno (lungo 12 cm, largo 9 cm e spesso 6 cm) ed è
situato al centro della cavità toracica, nel mediastino (spazio compreso tra i due polmoni, il
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5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
diaframma e la colonna vertebrale). L’apice è piegato verso il basso a sinistra ed entra in contatto con
il diaframma, mentre la base si trova in alto dietro lo sterno.
Innervazione del cuore
Coerentemente con la sua natura di muscolo involontario, il cuore riceve esclusivamente
un’innervazione vegetativa, ortosimpatica e parasimpatica, che hanno effetto antagonista. In
condizioni di riposo, l’attività del cuore è sotto il controllo parasimpatico (tono vagale).
Innervazione Ortosimpatica: è rappresentata da fibre ortosimpatiche postgangliari, provenienti
dai neuroni dei gangli cervicali; le fibre pregangliari ortosimpatiche originano da neuroni situati
nelle corna laterali dei primi 4-5 segmenti toracici del midollo spinale, che a loro volta ricevono
segnali, tramite vie nervose discendenti, da neuroni localizzati nel bulbo che vanno a formare il
centro cardio–vasomotore. Le terminazioni ortosimpatiche sono adrenergiche e sono molto
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5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
abbondanti nella zona del nodo seno-atriale (fibre di destra) e atrio-ventricolare (fibre di
sinistra), oltre che in tutta la muscolatura del miocardio. La noradrenalina liberata va ad agire su
recettori adrenergici di tipo β1 causando aumento di AMPc (per attivazione di Gs).
Innervazione Parasimpatica: è rappresentata dai rami cardiaci dei Nervi Vaghi (destro e sinistro).
Le fibre vagali originano da un gruppo di neuroni che vanno a formare nel bulbo il Nucleo
Dorsale del Vago. Queste fibre si
interrompono in piccoli gangli disposti nel
miocardio atriale, da dove partono brevi fibre
che si distribuiscono prevalentemente al
miocardio atriale.
atriale Le fibre parasimpatiche sono
colinergiche e il neurotrasmettitore liberato è
l’acetilcolina, che va ad agire su recettori
postsinaptici
muscarinici,
causando
diminuzione della produzione di AMPc (per
attivazione di Gi).
Vascolarizzazione del cuore
Il cuore è vascolarizzato dalle arterie coronarie (destra e sinistra) che originano dal bulbo aortico; il
sangue refluo dal cuore viene raccolto dalle vene coronarie che tornano all’atrio destro.
Cavità
avità cardiache
Il cuore contiene 4 cavità, 2 atri e 2 ventricoli. Ciascun atrio comunica con il rispettivo ventricolo
mediante una valvola atrio-ventricolare: la valvola tricuspide a destra e la valvola bicuspide o mitrale a
sinistra. Normalmente non esistono comunicazioni tra le cavità destra e sinistra del cuore che sono
completamente separate dai setti interatriali e interventricolari; pertanto il sangue presente in un lato
non può mescolarsi con quello dell’altro lato. Agli atri sinistro e destro giungono rispettivamente,
senza interposizione di valvole, le 4 vene polmonari e le vene cave superiore ed inferiore: i vasi
terminali del circolo polmonare e sistemico. Dai ventricoli sinistro e destro prendono origine
rispettivamente, con l’interposizione delle valvole semilunari, poste nella parte superiore (base) dei
ventricoli, l’arteria aorta e l’arteria polmonare: i due vasi con cui iniziano il circolo sistemico e
polmonare. Da notare che il sangue entra nei ventricoli dalla parte superiore e lo lascia nuovamente
dalla parte superiore: funzionalmente ciò significa che i ventricoli devono contrarsi dal basso verso
l’alto per consentire l’efflusso nelle arterie. Il cuore è avvolto da un robusto sacco membranoso
sieroso, il pericardio,
pericardio costituito da due foglietti: uno parietale aderente alle formazioni mediastiniche
contigue al cuore ed uno viscerale aderente alla superficie cardiaca. Tra i due foglietti si trova un
sottile strato di liquido pericardico,
pericardico che lubrifica la superficie esterna del cuore. Gli atri ed i ventricoli
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5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
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sono delimitati dalla parete cardiaca. La parete è costituita da 3 strati anatomicamente separati che,
dall’esterno sono:
Epicardio:
Epicardio sottile strato connettivale che ricopre tutta la superficie esterna del cuore, fuso con il
foglietto viscerale del pericardio;
Miocardio:
Miocardio rappresenta il muscolo cardiaco, formato da numerosi strati muscolari diversamente
orientati. Esiste una grande differenza nello spessore del miocardio: quello atriale è molto sottile,
mentre quello ventricolare è molto più spesso, soprattutto quello sinistro;
Endocardio:
Endocardio è un sottile strato di cellule endoteliali che ricopre la superficie interna del cuore,
delle valvole cardiache e l’intera rete vasale.
Il cuore presenta quattro anelli di tessuto connettivo (scheletro del cuore) che circondano gli
imbocchi delle arterie aorta e polmonare e le valvole atrio-ventricolari: tali anelli costituiscono sia
l’origine che l’inserzione terminale del miocardio sia atriale che ventricolare. La presenza di questi
anelli fa si che non ci sia connessione strutturale e funzionale tra muscolatura atriale e ventricolare.
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5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
Valvole cardiache
Le valvole cardiache sono 2 atrio-ventricolari e 2 semilunari. Nonostante la loro struttura sia molto
diversa, tutte le valvole cardiache si aprono nella stessa direzione (dagli atri ai ventricoli e dai
ventricoli alle arterie) ed hanno lo scopo di assicurare il flusso unidirezionale di sangue nel cuore in
senso anterogrado (dagli atri ai ventricoli, dai ventricoli alle arterie, dalle arterie alle vene e dalle
vene al cuore). Il flusso di sangue non può mai essere invertito. Le valvole atrioatrio-ventricolari sono
formate da sottili lembi endoteliali sprovvisti di muscolatura (2 lembi la bicuspide e 3 lembi la
tricuspide) attaccati alla base ad un anello fibroso. A livello del bordo i lembi sono ispessiti e
attaccati, sul versante ventricolare, mediante corde di tessuto ricco in collagene, le corde tendinee,
tendinee ai
muscoli papillari che sono estensioni del muscolo ventricolare. Le valvole semilunari sono formate da
3 lembi endoteliali a forma di mezzaluna o coppa in sezione trasversa. A causa della loro forma
queste valvole non necessitano di tendini di tessuto connettivo come le valvole atrio-ventricolari.
L’apertura e la chiusura di tutte le valvole cardiache sono processi passivi che si verificano in risposta
a gradienti di pressione sanguigna che si instaurano a cavallo delle valvole. L’apertura di queste
valvole, che è simultanea nel lato destro e sinistro del cuore, fa si che si abbia il contemporaneo
riempimento o svuotamento del ventricolo destro e sinistro. Durante la diastole ventricolare la
pressione intraventricolare scende al disotto di quella esistente nelle corrispondenti arterie: ciò causa
la chiusura delle valvole semilunari. Quando, durante questa fase, la pressione intraventricolare
scende ancora e va al di sotto di quella dei corrispettivi atri si ha l’apertura delle valvole atrioventricolari e il riempimento dei ventricoli. Durante la sistole ventricolare la pressione intraventricolare
supera quella dei corrispettivi atri: ciò causa la chiusura delle valvole atrio-ventricolari che impedisce
il flusso retrogrado di
sangue
dal
ventricolo
all’atrio (le corde tendinee
impediscono che le valvole
vengano spinte verso gli atri,
proprio come le aste di un
ombrello
impediscono
all’ombrello di girarsi verso
l’esterno quando c’è vento
forte). Quando, durante
questa fase, la pressione
intraventricolare sale e va a
superare la pressione nelle
corrispondenti arterie si ha
l’apertura delle valvole
semilunari e lo svuotamento
parziale dei ventricoli. Un
cattivo funzionamento delle
valvole cardiache potrebbe
consentire
un
parziale
retroflusso di sangue: in
questo caso si parla di
insufficienza valvolare.
valvolare Un
altro quadro patologico può
consistere nel fatto che le
valvole non si aprono bene a
causa delle lesioni dei lembi
valvolari : in questo caso si
parla di stenosi.
stenosi
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5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
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Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
Miocardio
iocardio di lavoro (o comune)
comune) e miocardio di conduzione (o specifico)
specifico)
Il grosso della massa del cuore è costituito da muscolatura cardiaca o miocardio. La maggior parte del
miocardio atriale e ventricolare permette al cuore di lavorare come una pompa: la sua attivazione
(potenziali di azione) è seguita dalla contrazione e dalla generazione di forza o pressione: per
questo si chiama miocardio di lavoro o comune.
comune Circa l’1% dell’intera massa muscolare cardiaca non è
in grado né di contrarsi né di generare forza e, pur costituendo una piccola parte dell’intera massa
miocardica, riveste una particolare importanza funzionale. Esso infatti comprende sia la formazione
capace di generare spontaneamente potenziali di azione (ciò conferisce al cuore la caratteristica
proprietà di contrarsi in assenza di uno stimolo esterno), sia la formazione cui compete la funzione di
condurre l’attivazione alle varie parti del cuore secondo una ben definita successione: per questo si
chiama miocardio di conduzione o specifico.
specifico Nel sistema di conduzione del cuore umano figurano le
seguenti formazioni:
Nodo senoseno-atriale o nodo del seno (di Keith e Flack): è situato nella parete posteriore dell’atrio
destro, in corrispondenza del solco terminale
che separa lo sbocco della vena cava
superiore dall’atrio destro. Esso è il
pacemaker o segnapassi fisiologico del
cuore, cioè la formazione dove ha
normalmente inizio l’eccitamento spontaneo
che genera e mantiene il battito ripetitivo del
cuore;
Nodo atrioatrio-ventricolare (di Tawara): è situato
nella parte posteriore destra del setto
interatriale in vicinanza della valvola
tricuspide. Questa formazione riceve
l’eccitamento partito dal nodo del seno dopo
che esso ha invaso e percorso tutta la
muscolatura atriale;
Fascio di His: questa formazione parte dal
nodo di Tawara, discende nel setto
interventricolare (tronco comune) e si divide in due branche principali, destra e sinistra (la
sinistra a sua volta si divide in anteriore e posteriore). Queste branche decorrono nello strato
miocardico, sotto l’endocardio, sulle due facce del setto fin verso la punta del cuore, si ramificano
e risalgono verso la base dei ventricoli con fini diramazioni: le fibre del Purkinje.
Purkinje Tramite il fascio
di His e le sue diramazioni l’eccitamento viene distribuito a tutto il miocardio ventricolare, dal
setto interventricolare verso la punta del cuore e da qui alla base dei ventricoli.
Cellule miocardiche
Le cellule che costituiscono il miocardio di lavoro o comune e il miocardio di conduzione o specifico
sono dette cellule miocardiche.
Cellule del miocardio di lavoro
Le cellule miocardiche da un punto di vista di organizzazione intracellulare e di funzione molecolare
sono simili alle fibre muscolari scheletriche ma, poiché il segnale della contrazione è miogeno (cioè
origina all’interno dello stesso miocardio che, pertanto, è definito come muscolo involontario),
presentano alcune proprietà tipiche del muscolo liscio (anche per la presenza delle gap junction). Le
cellule miocardiche come quelle scheletriche sono striate e sono dotate di un apparato contrattile del
tutto simile: esse infatti presentano una striatura trasversa dovuta all’alternarsi nelle miofibrille (che
sono gli elementi subcellulari contrattili) di zone mono e birifrangenti. Anche nel miocardio le
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5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
miofibrille sono formate da una sequenza di sarcomeri, in cui i miofilamenti di actina (filamenti sottili)
e di miosina (filamenti spessi) sono ordinati esattamente come nelle fibre muscolari scheletriche.
Tutto ciò fa si che anche le risposte meccaniche del muscolo cardiaco sono simili a quelle del muscolo
scheletrico. Le differenze di rilievo tra le fibre cardiache e quelle scheletriche sono:
1. Sono cellule molto più piccole di quelle scheletriche (diametro 5–10 µ; lunghezza 20–30 µ) e
possiedono un singolo nucleo disposto centralmente;
2. I tubuli T delle cellule miocardiche, presenti in corrispondenza delle strie Z del sarcomero, sono
più grandi di quelli presenti nelle cellule
muscolari scheletriche (diametro 5 volte
maggiore) e si ramificano all’interno della
cellula miocardica, tra le miofibrille.
Comunque mancano
mancano le triadi,
triadi quelle
formazioni in cui nelle fibre muscolari
scheletriche il sistema tubulare trasverso
viene in stretto contatto con il reticolo
longitudinale (per assenza delle cisterne);
3. Il reticolo sarcoplasmatico
sarcoplasmatico è meno esteso
rispetto a quello delle cellule scheletriche
(soprattutto i tubuli longitudinali),
riflettendo il fatto che il miocardio dipende
in parte dal Ca++ extracellulare per iniziare
la contrazione.
contrazione In questo aspetto le fibre
miocardiche assomigliano a quelle lisce;
4. Circa 1/3 del volume di una fibra cardiaca
contrattile è occupata da mitocondri,
mitocondri a
differenza delle fibre scheletriche: ciò
dimostra la forte richiesta di energia da
parte di queste cellule, che hanno
prevalentemente un metabolismo aerobico;
Infatti è stato dimostrato che il miocardio utilizza circa il 7080% dell’ossigeno trasportato dal sangue, più del doppio
rispetto alle altre cellule dell’organismo: ecco perché il
miocardio necessita di un adeguato flusso di sangue
mediante i vasi coronarici;
5. Le cellule sono collegate tra loro una di seguito all’altra e, in
minor misura, di lato fianco a fianco. La maggior parte delle
cellule si ramifica in modo che all’estremità ogni cellula si
collega con altre due cellule, dando luogo così alla
formazione di una rete cellulare tridimensionale complessa.
Nella zona di contatto tra le cellule esiste una giunzione
cellulare specializzata,
specializzata nota come disco intercalare o stria
scalariforme:
scalariforme in questa regione le membrane delle cellule
contigue, intimamente ravvicinate (lo spazio intercellulare di
fatto non esiste) e parallele l’una all’altra, presentano
numerose interdigitazioni che aumentano grandemente la
superficie di contatto e sono collegate da desmosomi o
giunzioni aderenti,
aderenti giunzioni cellulari molto forti in grado di
creare una robusta connessione meccanica tra le cellule che
permette di trasferire la tensione generata in una cellula a
quelle adiacenti. Inoltre in molti punti del disco le membrane
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Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
sono parzialmente fuse a formare giunzioni serrate
serrate. Lungo le strie si formano dei veri e propri
ponti citoplasmatici tra cellule contigue, detti gap junction o giunzioni comunicanti,
comunicanti che creano
una zona a bassissima resistenza elettrica (connessione elettrica e chimica) che consente la
rapida diffusione delle onde di depolarizzazione, facendo si che le cellule cardiache si
contraggano quasi simultaneamente ed in modo coordinato. In altre parole, la struttura
specializzata del disco intercalare fa si che un tessuto formato da piccole cellule lavori come se
fosse costituito da una singola grossa cellula (sincizio
sincizio funzionale).
funzionale Questa caratteristica è
comune al muscolo liscio.
Non esistono delle sostanziali differenze morfologiche tra le fibrocellule del miocardio comune o di
lavoro atriale e di quello ventricolare, fatta eccezione per il diametro che è nettamente maggiore in
quelle ventricolari.
Cellule del miocardio di conduzione
Le fibrocellule del miocardio di conduzione o specifico, pur essendo connesse tramite ponti
protoplasmatici alle cellule contrattili del miocardio comune, se ne differenziano sia da un punto di
vista funzionale che morfologico: presentano un maggior contenuto di sarcoplasma (citoplasma),
sono meno ricche di miofibrille ed hanno un elevato contenuto di glicogeno. Le fibrocellule
morfologicamente più lontane da quelle del miocardio comune sono quelle che costituiscono il nodo
seno-atriale soprattutto perché presentano un aspetto tondeggiante (cilindrico o poligonale), sono
particolarmente povere di miofibrille e di reticolo sarcoplasmatico. La connessione tra queste cellule e
le cellule del miocardio atriale di lavoro avviene tramite elementi cellulari detti di transizione, che
presentano caratteristiche intermedie tra quelle del miocardio di conduzione e quelle del miocardio di
lavoro. Anche le fibrocellule del nodo atrio-ventricolare, sebbene siano morfologicamente più simili a
quelle del miocardio comune di quelle del nodo seno-atriale, presentano un’organizzazione
caratteristica: infatti la rete fibrocellulare che costituisce il polo superiore di questo nodo è formata da
fibre sottilissime che confluiscono progressivamente in elementi di sempre maggior diametro fino al
fascio di His. Il tessuto di conduzione che costituisce il fascio di His è composto da fibrocellule
nettamente più grandi (circa 50 µ di diametro) e più corte di quelle del miocardio comune: esse sono
provviste di poche miofibrille disposte alla periferia del sarcoplasma ed inoltre I ponti di connessione
tra le singole unità cellulari sono molto grandi.
Potenziale di
di membrana delle cellule miocardiche
A cavallo delle membrane cellulari di tutte le cellule si verifica una separazione delle cariche
elettriche. Per potenziale di membrana a riposo si intende il gradiente elettrico che si stabilisce tra il
liquido intra
intra ed extracellulare.
extracellulare Il termine a riposo indica che questo gradiente elettrico è presente in
tutte le cellule viventi, anche in quelle prive di attività elettrica (cellule non eccitabili). Il potenziale è
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5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
espresso in millivolt (mV); per convenzione il liquido extracellulare viene posto come riferimento e gli
viene assegnata una carica di 0 mV. Pertanto un potenziale di membrana a riposo di –70 mV indica
con il segno negativo che, a cavallo della membrana, il liquido intracellulare è negativo rispetto a
quello extracellulare, mentre il valore 70 esprime l’ampiezza della differenza di potenziale. Il
potenziale di riposo è determinato dalla conduttanza relativa (o permeabilità) agli ioni a cui la
membrana è permeabile e dai loro gradienti di concentrazione. In condizioni di riposo le cellule
miocardiche di lavoro hanno una elevata conduttanza al potassio che è libero di fluire secondo il suo
gradiente di concentrazione: quindi il potenziale di membrana si sposterà verso il potenziale di
equilibrio del potassio che è di circa –85 mV (equazione
equazione di Nernst:
Nernst E ione = 61 mV/2 * Log [ione
extr.] / [ione intrac.] ). Poichè a riposo la conduttanza al sodio è bassa, questo ione contribuisce
molto poco al potenziale di riposo. Il ruolo della pompa Na/K è primario per il mantenimento dei
gradienti di concentrazione del sodio e del potassio a cavallo della membrana, ma contribuisce anche
al potenziale di membrana con un modesto effetto elettrogenico. Due processi possono indurre un
cambiamento nel potenziale di membrana a riposo, che altrimenti rimane stabile: se si sposta verso
valori più negativi si ha iperpolarizzazione,
iperpolarizzazione se si sposta verso valori meno negativi si ha
depolarizzazione.
depolarizzazione
1. Cambiamento nel gradiente elettrochimico di uno ione a cui la membrana è permeabile che porta
ad un cambiamento del potenziale di equilibrio di quello ione e quindi del potenziale a riposo (ad
es. < concentrazione extracellulare di K → iperpolarizzazione);
2. Cambiamento della conduttanza ad uno ione ( ad es. al Na → depolarizzazione).
Le cellule miocardiche del miocardio di lavoro possiedono un potenziale di membrana a riposo stabile
di –85/90 mV. Le cellule miocardiche del miocardio di conduzione hanno un potenziale di membrana
instabile, mai fisso ad un valore costante, che parte da –60 mV: per questo viene definito potenziale
pacemaker e non potenziale di membrana a riposo.
Proprietà
roprietà generali del miocardio
Caratteristiche comuni a tutto il miocardio sono:
1. Eccitabilità;
Eccitabilità
2. Contrattilità;
ontrattilità
3. Conduzione;
onduzione;
4. Refrattarietà.
Refrattarietà
Queste caratteristiche si ritrovano anche nel muscolo scheletrico, ma qui si presentano con modalità
particolari. Invece si distingue dal resto del miocardio, ed ancora più dal muscolo scheletrico, il
miocardio di conduzione (in particolare quello dei nodi seno-atriale e atrio-ventricolare) perché
possiede la proprietà dell’automatismo o autoritmicità.
autoritmicità Tuttavia, è utile ricordare che questa proprietà
è presente in forma latente, in condizioni fisiologiche, in tutto il miocardio.
1) Eccitabilit
Eccitabilità
ccitabilità
il miocardio, come il muscolo scheletrico e il tessuto nervoso, è un tessuto eccitabile, pertanto, come
nel caso del tessuto scheletrico, è in grado di rispondere a stimoli adeguati, ad es. elettrici, con
l’insorgenza di una manifestazione elettrica propagata, il potenziale di azione,
azione seguito con brevissimo
ritardo dalla contrazione delle stesse fibrocellule miocardiche. Il potenziale di azione e la contrazione
sono due fenomeni strettamente correlati e costituiscono la risposta del miocardio allo stimolo. A
differenza del muscolo scheletrico nel quale le singole fibre sono indipendenti sia anatomicamente
che funzionalmente, il miocardio, grazie alla bassa resistenza elettrica dei dischi intercalari che
uniscono le fibrocellule, si comporta funzionalmente come un sincizio per cui sia il potenziale di
azione che la contrazione che lo segue possono, dal luogo di insorgenza, propagarsi rapidamente in
tutte le direzioni fino ad invadere l’intero miocardio. Pertanto il miocardio si comporta funzionalmente
come se fosse costituito da una singola cellula e ciò spiega come esso ubbidisca in toto alla legge del
tutto o nulla (questa legge nel muscolo scheletrico è valida solo per le singole cellule che lo
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Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
compongono e non per l’intero muscolo). Secondo la legge del tutto o nulla quando lo stimolo, che
colpisce una regione del miocardio, raggiunge l’intensità liminare (cioè la soglia del potenziale di
azione) evoca una risposta sia elettrica che meccanica la cui ampiezza è la massima che il miocardio
può dare in quel momento e non cresce con l’aumentare dell’intensità dello stimolo. Quando
l’intensità dello stimolo è inferiore alla soglia, invece, non evoca nessuna risposta. Le cellule
miocardiche del miocardio di lavoro generano potenziali d’azione con caratteristiche peculiari in cui il
Calcio gioca un ruolo importante, a differenza di quanto avviene nelle fibre muscolari scheletriche e
nei neuroni.
Potenziale di azione nelle cellule miocardiche di lavoro
Il potenziale di azione delle cellule miocardiche contrattili è simile a quello delle fibre scheletriche e
dei neuroni. La differenza più evidente è la lunga durata del potenziale di azione,
azione dovuta alla
presenza della fase di plateau:
plateau 150 msec nel miocardio atriale e 250–300 msec. nel miocardio
ventricolare, contro i 5–10 msec. delle fibre scheletriche e 1–2 msec. dei neuroni. La durata del
potenziale d’azione si adatta alla frequenza cardiaca: all’aumentare della frequenza diminuisce la
durata del potenziale d’azione. Tra due potenziali di azione successivi esiste un potenziale di riposo.
Gli eventi ionici che sostengono le successive fasi del potenziale di azione sono:
Potenziale di membrana a riposo (Fase 4):
4) il potenziale di membrana a riposo delle cellule
miocardiche di lavoro è stabile (-90 mV) e si avvicina al potenziale di equilibrio del K. Tra due
potenziali di azione esiste un potenziale di riposo stabile.
Depolarizzazione rapida (Fase 0):
0) questa fase è analoga alla fase di depolarizzazione del
potenziale di azione dei neuroni e delle fibre scheletriche. Uno stimolo che depolarizza la
membrana fino alla soglia determina l’attivazione, cioè l’apertura, di canali ionici voltaggiovoltaggiodipendenti per il Na dotati di rapidissima cinetica: già a -70 mV questi canali sono pervi. Ciò causa
un transitorio aumento della conduttanza agli ioni sodio che da inizio ad una intensa corrente
entrante (lungo il gradiente elettrochimico) che, apportando cariche positive all’interno della
membrana, la depolarizza con un processo autorigenerativo o a feedback positivo (perché
l’ingresso di ioni sodio depolarizza ulteriormente la membrana e ciò via via porta all’apertura di
un numero sempre crescente di canali per il sodio): il potenziale di membrana si riduce
rapidamente, si annulla e poi si inverte di segno di 20–30 mV (eccedenza
eccedenza o overshoot)
overshoot per un
breve periodo. Il potenziale di membrana non raggiunge completamente il valore del potenziale di
equilibrio del Na (+65 mV) perché i canali ionici voltaggio-dipendenti per il Na lentamente si
inattivano: già a -40 mV questi canali sono tutti nello stato di inattivazione (stato in cui i canali
sono impervi, che precede la chiusura) e ciò porta alla riduzione della corrente entrante di sodio,
che si estingue totalmente all’inizio della fase di plateau.
Ripolarizzazione iniziale (Fase 1): è un breve periodo di ripolarizzazione che fa subito seguito al
picco (spike) dell’inversione di potenziale. È dovuta all’inattivazione dei canali del Na e
all’apertura dei canali ionici voltaggio-dipendenti per il K che si aprono tardivamente con la
depolarizzazione: si ha una corrente uscente di ioni potassio lungo gradiente elettrochimico.
Plateau (fase 2):
2) durante questa fase la membrana rimane depolarizzata in modo relativamente
stabile intorno ad un valore prossimo allo 0 per un lungo periodo (150–200 msec. nelle fibre
ventricolari, molto meno in quelle atriali). Si ricordi che un potenziale di membrana rimane stabile
fin quando le correnti ioniche in entrata ed in uscita sono uguali. La fase di plateau ha un’origine
ionica abbastanza complessa perché risulta dalla sovrapposizione di eventi ionici diversi, tutti
voltaggio e tempo dipendenti. L’inizio della fase di plateau è dovuta all’apertura di canali ionici
voltaggiovoltaggio-dipendenti per il Ca a cinetica lenta (canali di tipo L) che si aprono ad un livello di
depolarizzazione intorno a -40 mV. Ciò da inizio ad una lenta corrente entrante di ioni calcio
(lungo gradiente di concentrazione) che è perfettamente controbilanciata dalla corrente in uscita
di ioni potassio: poiché la corrente netta è zero il potenziale di membrana rimane stabile a quel
valore di depolarizzazione. Però lentamente e gradualmente i canali ionici per il Ca si inattivano e
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5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
di conseguenza si riduce la corrente entrante di calcio che aveva dato inizio al plateau, fino ad
estinguersi. Ciò tenderebbe di per sé a ripolarizzare la membrana se non si avesse a questo
punto la chiusura dei canali ionici voltaggiovoltaggio-dipendenti per il K anomali (canali K1, detti anomali
perché sono aperti al normale potenziale di riposo e si chiudono con la depolarizzazione): infatti
la riduzione della corrente uscente di ioni K si oppone alla ripolarizzazione della membrana
conseguente al decadere della corrente entrante di ioni calcio e la fase di plateau, con potenziale
invariato e vicino allo zero, viene mantenuta per un certo periodo di tempo. L’ingresso di ioni
calcio durante la fase di plateau è importante per la fase di accoppiamento elettro-meccanico
perché induce la liberazione di calcio dalle sedi citoplasmatiche di stoccaggio (rilascio
rilascio di calcio
indotto da calcio).
calcio
Ripolarizzazione rapida (Fase 3):
3) questa fase è sostenuta da un meccanismo ionico molto simile
a quello che si osserva nel potenziale d’azione dei neuroni e delle fibre scheletriche. Questa fase
è dovuta all’attivazione tardiva dei canali ionici voltaggiovoltaggio-dipendenti per il K tardivi,
tardivi la cui cinetica
è particolarmente lenta nelle fibre miocardiche (canali Kv), per cui essi si trovano attivati in
notevole numero solo verso la fine del plateau. L’aumento della permeabilità al K (maggiore
rispetto alla fase di riposo) da inizio ad una intensa corrente uscente di ioni potassio, lungo
gradiente elettrochimico, che ripolarizza la membrana. Questi canali tardivi del K con la
ripolarizzazione si chiudono (sono sprovvisti dello stato di inattivazione). La funzione della
corrente uscente di ioni potassio è quella di accelerare fortemente la ripolarizzazione della
membrana riportandola al suo potenziale di riposo, condizione nella quale, essendo rimossa
totalmente l’inattivazione dei canali del Na e del Ca, viene restituita alla fibra miocardica la sua
normale capacità di rispondere agli stimoli.
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Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
2) Contrattilità
ontrattilità
La contrattilità o inotropismo è la capacità intrinseca del miocardio di lavoro di rispondere ad un
impulso con la contrazione. Le cellule miocardiche da un punto di vista morfologico sono fibre striate
organizzate in sarcomeri, pertanto il meccanismo di attivazione del loro apparato contrattile e il
meccanismo di base della contrazione sostanzialmente non sono dissimili da quelli delle fibre
muscolari scheletriche.
Contrazione
Nelle fibre muscolari scheletriche il rilascio di acetilcolina da parte della terminazione di un
motoneurone somatico, a livello della placca motrice, determina la formazione nella membrana
sarcolemmale di un potenziale di azione: la depolarizzazione diffonde all’interno della cellula
attraverso i tubuli a T che, attraverso le triadi, sono in stretto contatto con le cisterne del reticolo
longitudinale, provocando il rilascio di calcio nell’ambiente intracellulare. Gli ioni calcio, andando ad
interagire con la troponina C, innescano le interazioni tra i miofilamenti spessi e sottili, il loro
reciproco scorrimento e, quindi, la contrazione. Questo processo prende il nome di accoppiamento
elettroelettro-meccanico o accoppiamento eccitazioneeccitazione-contrazione.
contrazione Anche nelle cellule miocardiche 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 pace-maker e si diffonde alle
cellule contrattili attraverso le gap junction. Anche nel miocardio gli ioni calcio innescano la
contrazione, ma essi provengono dall’ambiente extracellulare. Infatti, quando un potenziale d’azione
raggiunge una cellula miocardica la depolarizzazione diffonde lungo tutto la membrana e all’interno
della cellula attraverso i tubuli a T, a livello dei quali determina l’apertura dei canali ionici voltaggiodipendenti per il Ca che da inizio alla corrente entrante di ioni calcio (plateau). L’entrata di calcio
all’interno della cellula cardiaca produce un aumento della concentrazione intracellulare di calcio che,
però, da sola non è sufficiente a garantire una completa attivazione delle miofibrille e ad innescare la
contrazione. Questi ioni calcio per diffusione raggiungono i tubuli del reticolo longitudinale dove
fungono da stimolo chimico (ccalcio di avvio)
avvio per l’apertura di recettori-canale per il Ca, attraverso i
quali viene rilasciata nell’ambiente intracellulare una grande quantità di ioni Ca che vanno a
completare l’attivazione dei miofilamenti. Il calcio rilasciato dal reticolo sarcoplasmatico, grazie ad un
processo moltiplicativo noto come rilascio di Calcio
Calcio Calcio
Calcio indotto,
indotto costituisce circa il 90% di quello
necessario alla contrazione muscolare.
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5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
La contrazione del miocardio si differenzia da quella del muscolo scheletrico per:
a. Una maggior durata,
durata dovuto fondamentalmente alla maggior durata del potenziale d’azione che
mantiene più a lungo in contrazione l’apparato miofibrillare;
b. Una minore velocità di contrazione,
contrazione che esprime una più lenta attivazione dell’apparato contrattile
dovuta al particolare meccanismo con cui si rendono disponibili gli ioni Ca intracellulari,
soprattutto per la presenza di una tappa diffusionale.
A: Potenziale d’azione (I) e contrazione (II) in
una fibrocellula miocardica di lavoro.
B: Potenziale d’azione (I) e contrazione (II) in
una fibra muscolare scheletrica
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Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
Rilasciamento
Come avviene nel muscolo scheletrico, il rilasciamento e, quindi, la disattivazione dell’apparato
contrattile, si ha quando la concentrazione intracellulare di Ca viene riportata a valori molto bassi di
riposo (inferiori a 100 nmoli/l). A ciò provvedono 2 meccanismi:
a. gli ioni calcio vengono trasportati nuovamente nel reticolo sarcoplasmatico con un trasporto attivo
primario, mediante una pompa del Ca ;
b. gli ioni calcio vengono trasportati nell’ambiente extracellulare mediante un trasporto attivo
secondario Na/Ca ed una pompa del Ca, che operano entrambi nel sarcolemma.
Forza contrattile: relazione lunghezza–
lunghezza–tensione nel muscolo cardiaco
La forza contrattile,
contrattile così come avviene per il muscolo scheletrico, dipende da 2 parametri:
lunghezza di riposo);
1. Dalla lunghezza della fibra iniziale all’inizio della contrazione (lunghezza
riposo
2. Dalla contrattilità che dipende dalla disponibilità di ioni calcio, indipendentemente dalla
lunghezza della fibra.
La forza contrattile aumenta col crescere della lunghezza iniziale delle fibrocellule fino ad un valore
massimo (massima tensione) che si ha ad una lunghezza ottimale della fibra che corrisponde ad una
lunghezza del sarcomero di 2,0–2,4 µ: ogni ulteriore allungamento determina una diminuzione della
forza contrattile. La base fisiologica della relazione lunghezza–tensione va ricercata nel grado di
sovrapposizione dei filamenti spessi e sottili ed il numero di possibili siti per la formazione dei ponti
75
5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
trasversi: alla lunghezza ottimale si ha una sovrapposizione tale dei due tipi di filamento che il
numero di possibili siti per la formazione dei ponti trasversi è massimo (invece la concentrazione
intracellulare di ioni Ca determina se questi possibili legami trasversi potranno poi realmente
formarsi). Se il sarcomero all’inizio della contrazione è più lungo della sua lunghezza ottimale i
filamenti sottili e spessi sono scarsamente sovrapposti e formano pochi ponti trasversi, pertanto i
filamenti possono interagire solo in misura minima e non genereranno molta forza. La tensione
sviluppata sarà zero quando la lunghezza del sarcomero sarà tale da arrivare quasi allo sfilamento dei
filamenti sottili e spessi (stiramento della fibra). Se il sarcomero all’inizio della contrazione è più
corto della sua lunghezza ottimale i filamenti spessi e sottili saranno troppo sovrapposti ed i filamenti
spessi potranno spostare i filamenti sottili solo per una breve distanza. La tensione sviluppata sarà
zero quando il sarcomero è così corto che i filamenti spessi finiscono a contatto con i dischi Z; in
questo caso la miosina dei filamenti spessi non riesce più a trovare nuovi siti di legame per la
formazione di ponti trasversi.
Variazioni della forza contrattile
Il miocardio è molto più sensibile del muscolo scheletrico a svariati fattori che possono modificarne la
forza contrattile. L’Effetto
Effetto inotropo positivo e l’effetto
effetto inotropo negativo corrispondono
rispettivamente all’aumento e alla diminuzione della forza contrattile e della velocità con cui questa si
sviluppa. La variabilità della risposta contrattile del miocardio non contraddice la legge del tutto o
nulla poiché la contrazione miocardica ha sempre la massima intensità possibile in ciascuna delle
condizioni di seguito esaminate, e non dipende mai dall’intensità dello stimolo elettrico che l’ha
provocata, purché questo sia liminare.
1. Effetti della concentrazione intracellulare di Ca: dipende dalla grandezza della corrente in entrata
per il Ca durante la fase di plateau e dalla quantità di Ca precedentemente immagazzinata nel
reticolo sarcoplasmatico. Maggiore è la corrente in entrata per il calcio e maggiore è la quantità
immagazzinata nel reticolo sarcoplasmatico, più grande sarà la concentrazione intracellulare di
calcio utile per l’attivazione dell’accoppiamento eccitazione–contrazione, maggiore sarà il numero
dei ponti trasversi attivi e maggiore sarà la forza contrattile generata. Viceversa, se le
concentrazione intracellulare di calcio è bassa alcuni ponti trasversi non vengono attivati e la
forza contrattile sarà scarsa. Pertanto, tutti gli ormoni ed i neurotrasmettitori che alterano questi
parametri possono variare l’entità della tensione prodotta dalle cellule cardiache.
2. Effetti del sistema nervoso autonomo:
autonomo: regola la contrattilità, la conduzione la frequenza, ma
l’effetto più importante è quello sulla contrattilità.
a. Sistema simpatico:
simpatico la stimolazione del sistema simpatico esercita sul miocardio di lavoro un
effetto
effetto inotropo positivo,
positivo soprattutto nei ventricoli, perché porta ad un aumento della
concentrazione intracellulare di Ca e, quindi, ad una maggiore attivazione dell’apparato
contrattile. Tale effetto è mediato dai recettori β1 che, attraverso la stimolazione della
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Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
proteina Gs,
Gs aumentano la produzione dell’AMPc che attiva una proteinchinasi che, a sua
volta, determina la fosforilazione, e quindi l’attivazione, sia delle proteine canale del Ca
(responsabili della corrente in entrata per il calcio durante la fase di plateau), sia del
fosfolambano che è una proteina che nella sua forma fosforilata va a stimolare la pompa del
calcio presente sulla membrana del reticolo sarcoplasmatico (responsabile
dell’immagazzinamento del calcio nel reticolo utile per il successivo rilascio).
b. Sistema parasimpatico:
parasimpatico l’acetilcolina, per interazione con i recettori muscarinici delle fibre
miocardiche di lavoro (che attivano la proteina Gi),
Gi causa una diminuzione dell’apertura dei
canali ionici del Ca e della corrente entrante di calcio: ciò riduce l’ampiezza e la durata del
plateau nel potenziale di azione, ma si ha anche una minore attivazione dell’apparato
contrattile che porta ad una riduzione della forza di contrazione (effetto
effetto inotropo negativo).
negativo
3. Effetto delle catecolamine (adrenalina) della midollare del surrene:: l’effetto è del tutto simile a
quello della noradrenalina liberata dalle terminazioni ortosimpatiche.
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5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
4. Effetti della frequenza cardiaca - fenomeno della scala:
scala un aumento della frequenza cardiaca
esercita sul miocardio un effetto inotropo positivo perché porta ad un aumento della
concentrazione intracellulare di Ca.
Ca Ciò è dovuto a:
a. l’aumento di frequenza porta all’aumento del numero di potenziali d’azione per unità di
tempo e, quindi, ad una maggiore disponibilità di calcio che entra nelle cellule cardiache
durante il plateau, per unità di tempo. In aggiunta, se l’aumento della frequenza è causato
dalla stimolazione simpatica si avrà un aumento anche della corrente in entrata di calcio
durante ciascun potenziale d’azione;
b. l’aumento della frequenza porta ad un aumento del numero delle contrazioni per unità di
tempo e, quindi, ad una diminuzione dell’intervallo tra le contrazioni successive. Pertanto, in
maniera proporzionale alla frequenza, si riduce il tempo disponibile affinché gli ioni calcio,
resisi liberi durante la contrazione, vengano ricatturati dal reticolo o espulsi dalle pompe.
Se la frequenza raddoppia, la tensione che si sviluppa ad ogni battito aumenta a mò di scala fino
fino
a raggiungere un valore massimo che corrisponde al livello massimo di accumulo di calcio nel
reticolo.
reticolo Subito dopo l’aumento della frequenza il primo battito non comporta aumento della
tensione perché non si è ancora accumulata una quantità extra di calcio, cosa che accade dal
secondo battito in poi. Allo stesso tempo, si verifica il fenomeno a scala quando si interrompe la
stimolazione del miocardio per un certo tempo in modo da non avere contrazioni e poi si riprende
la stimolazione con la stessa frequenza iniziale: si osserva che la forza di contrazione cresce a
gradini nelle prime contrazioni che seguono l’intervallo di riposo e raggiunge il valore originario e
stimolazione. Ciò dipende dal fatto
costante solo dopo parecchie contrazioni dalla ripresa della stimolazione
che il livello di calcio intracellulare libero è fortemente abbassato durante il periodo di riposo.
5. Effetto dei glicosidi cardiaci (digossina e ouabaina): queste sostanze, estratte dalla Digitalis
purpurea, agiscono come inotropi positivi.
positivi Ciò è dovuto ad una serie di eventi:
a. I glicosidi cardiaci inibiscono la pompa Na/K a livello del sito che lega il potassio
extracellulare;
b. diminuisce la quantità di sodio che viene pompato fuori dalla cellula e questo aumenta la
concentrazione intracellulare di Na;
c. quando la concentrazione intracellulare di sodio aumenta si ha una diminuzione del gradiente
di sodio a cavallo della membrana e ciò porta ad una diminuzione del trasporto attivo
secondario Ca/Na e, come conseguenza, si ha un aumento della concentrazione intracellulare
di calcio libero (effetto inotropo positivo).
In terapia, i glicosidi cardiaci vengono usati nel trattamento dell’insufficienza cardiaca, una
patologia molto grave e potenzialmente letale, caratterizzata da una diminuita efficienza
contrattile della muscolatura ventricolare che comporta l’efflusso di una quantità insufficiente di
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Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
sangue nell’aorta o nell’arteria polmonare, al momento della sistole, quando si ha insufficienza
rispettivamente nel ventricolo sinistro o destro.
3) Conduzione
A differenza del muscolo scheletrico in cui le singole fibrocellule sono anatomicamente e
funzionalmente indipendenti, nel tessuto miocardico il potenziale d’azione si propaga dal punto dove
insorge (cellule autoritmiche) a tutto il cuore, anche se con velocità molto diversa a seconda della
maggiore o minore conducibilità delle varie regioni. L’onda di depolarizzazione è seguita dall’onda di
contrazione: sia l’evento elettrico che quello contrattile avvengono con una precisa sequenza. Infatti
gli atri devono attivarsi e contrarsi prima dei ventricoli e questi debbono contrarsi dall’apice alla base
per assicurare la più efficiente eiezione di sangue.
Meccanismo di propagazione del potenziale d’azione
Analogamente alle cellule nervose e alle fibre scheletriche, il meccanismo della conduzione del
potenziale d’azione del miocardio è puramente elettrico e si rende possibile grazie alla diffusione di
correnti elettrotoniche locali dalle zone attive a quelle ancora a riposo, lungo tutta la membrana di
ogni cellula miocardica e tra le cellule miocardiche, grazie alla bassa resistenza elettrica delle strie
scalariformi che assicurano nel miocardio una veloce ed efficace conduzione. Per comprendere come
ciò possa avvenire occorre considerare che la formazione di un potenziale d’azione in un’area
membranale (zona attiva) rende il suo interno più positivo ed il suo esterno più negativo rispetto alle
aree membranali limitrofe (zone a riposo): ciò crea un gradiente di potenziale tra zona attiva e zona a
riposo che genera correnti elettrotoniche locali, sia nel liquido intra che extracellulare, dirette
dall’area a potenziale maggiore a quella a potenziale minore. Perciò all’esterno della membrana
queste correnti vanno dalla zona a riposo alla zona attiva, mentre all’interno della membrana le
correnti ioniche vanno dalla zona attiva alla zona a riposo: pertanto le correnti elettrotoniche vanno a
depolarizzare la membrana della zona a riposo in quanto, in quest’area membranale, apportano
cariche positive al versante interno mentre vengono sottratte cariche positive al versante esterno.
Essendo l’intensità delle correnti elettrotoniche normalmente elevata, nell’area membranale a riposo
viene raggiunta la soglia del potenziale d’azione e si innesca un potenziale d’azione, mentre la zona
membranale attiva viene ripolarizzata e diventa a riposo. In questo modo il potenziale d’azione si
propaga con ampiezza invariata, come vuole la legge del tutto o nulla, nella direzione che lo
allontana dal sito di insorgenza.
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5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
4) refrattarietà
refrattarietà
L’eccitabilità delle cellule del miocardio varia nel corso del potenziale d’azione e tali cambiamenti
determinano fasi in cui le cellule, per un certo periodo di tempo, sono refrattarie a successivi stimoli.
Nel periodo di refrattarietà si distinguono diverse fasi, che riferite al miocardio di lavoro sono:
1. Refrattarietà Assoluta (RA):
(RA) dura per la maggior parte della durata del potenziale d’azione ed
include la fase di inversione di polarizzazione, l’intero plateau ed il primo terzo della fase di
ripolarizzazione e termina quando la membrana presenta una differenza di potenziale di –50 mV.
In questa fase la cellula miocardica non risponde ad alcuno stimolo per intenso che esso sia ed è
incapace di generare un potenziale di azione: ciò è dovuto al fatto che i canali del Na voltaggio
dipendenti sono tutti inattivi ed un secondo stimolo depolarizzante, anche se di intensità
superiore al primo, non può aprirli.
2. Refrattarietà Relativa (RR):
(RR) è un periodo che inizia alla fine della refrattarietà assoluta e dura fino
a quando la membrana, ripolarizzandosi, presenta una differenza di potenziale di –70 mV.
Durante questo periodo è possibile che insorga un secondo potenziale d’azione ma è necessario
che lo stimolo abbia una intensità maggiore di quella normalmente sufficiente (innalzamento
della soglia): ciò dipende dal fatto che uno stimolo depolarizzante a livello soglia apre i canali
per il Na che durante la ripolarizzazione sono ritornati alla stato di riposo, ma il sodio che entra
da questi canali è controbilanciato dal potassio che ancora esce attraverso i propri canali. I due
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Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
flussi si equilibrano e il potenziale di membrana non arriva alla soglia: ecco perché, durante
questa fase, un secondo potenziale d’azione può essere evocato solo da uno stimolo
sovraliminare.
3. Ipereccitabilità
Ipereccitabilità (IE):
(IE) segue il periodo di refrattarietà relativa e continua fino a quando la
membrana è completamente ripolarizzata e riassume un potenziale di –85/90 mV. Durante questo
periodo stimoli di intensità inferiore alla norma possono evocare un potenziale d’azione perché la
cellula è più eccitabile e ciò sembra essere dovuto al fatto che la permeabilità al potassio risulta
inferiore alla norma (il muscolo cardiaco non viene mai eccitato durante tale periodo).
Esistono notevoli differenze nella refrattarietà nelle diverse parti del cuore: ad esempio, l’intero ciclo
di refrattarietà è più breve nel miocardio atriale rispetto a quello ventricolare.
Sussistono notevoli differenze nel decorso della refrattarietà del miocardio di lavoro rispetto al
muscolo scheletrico, riferibili alle diverse caratteristiche dei rispettivi potenziali di azione. Nel
muscolo scheletrico il potenziale d’azione dura pochi msec. e quindi anche l’intero ciclo di
refrattarietà è molto breve, per cui essa termina (e l’eccitabilità ritorna alla norma) ancora prima che il
muscolo stesso inizi a contrarsi. Pertanto, il muscolo scheletrico è tetanizzabile in quanto una serie di
potenziali di azione in rapida successione determinerà la sommazione delle contrazioni generando
così una contrazione tetanica (completa o incompleta). Nel miocardio il potenziale d’azione dura
centinaia di msec. e quindi anche l’intero ciclo di refrattarietà è molto lungo e dura gran parte della
contrazione. In altre parole il miocardio diviene capace di rispondere ad un nuovo stimolo solo
quando avviene il suo rilasciamento. Questo comportamento, dovuto alla fase di plateau, impedisce
che nel cuore si verifichi una contrazione tetanica:
tetanica infatti il cuore non è tetanizzabile perché il
potenziale di azione delle cellule miocardiche contrattili dura per tutta la contrazione e quindi il
successivo potenziale d’azione si forma quando la cellula miocardica è già completamente rilasciata e
di conseguenza, non si può verificare la sommazione delle contrazioni. Ciò è di grande importanza
per la corretta funzione di pompa del cuore perché il miocardio, tra una contrazione e l’altra, deve
rilasciarsi per permettere ai ventricoli di riempirsi di sangue. Inoltre, grazie a questo lungo periodo di
refrattarietà, le regioni del miocardio che vengono eccitate per prime si trovano ancora nella fase
refrattaria quando l’eccitazione raggiunge le ultime porzioni del miocardio e ciò impedisce il ritorno
dell’eccitazione alle porzioni precedentemente eccitate.
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5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
A: Potenziale d’azione (I) e contrazione (II) in una fibrocellula miocardica di lavoro.
B: Potenziale d’azione (I) e contrazione (II) in una fibra muscolare scheletrica
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Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
5) Ritmicità
itmicità o automatismo
La più vistosa caratteristica del cuore è la sua capacità di contrarsi ritmicamente, anche in assenza di
stimoli esterni. Il segnale della contrazione è miogeno,
miogeno nel senso che origina all’interno dello stesso
miocardio e non è dovuto a segnali o stimoli che giungono per via nervosa. Di ciò è prova
l’osservazione che la ritmica attività contrattile del cuore si manifesta nell’embrione ancora prima che
si sviluppi il sistema nervoso; inoltre si è visto che il cuore all’esterno del torace continua a battere
per alcuni minuti. In tutte le parti del cuore è presente, almeno in forma latente, la capacità di
generare ritmicamente ed in modo spontaneo e ripetitivo il potenziale d’azione: questa proprietà è
detta ritmicità o automatismo ma, in condizioni normali si manifesta solo nel miocardio di conduzione
e, in particolare, nel nodo seno-atriale che, pertanto, assume la funzione di pilota o segnapassi o
avviatore primario o pacemaker di tutto il cuore. Infatti i potenziali d’azione generati nel nodo senoatriale fungono da stimolo per le altre parti del cuore: ecco perché il normale ritmo cardiaco è detto,
appunto per la sua origine, sinusale.
sinusale
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5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
Potenziale di azione nelle cellule miocardiche di conduzione
La capacità autoritmica risiede nelle particolari caratteristiche elettrofisiologiche delle fibrocellule che
costituiscono il miocardio di conduzione che, pertanto, sono definite cellule autoeccitabili o
autoritmiche.
autoritmiche Questa proprietà deriva dal fatto di non avere un potenziale di riposo stabile e fisso ad
un valore costante tra due potenziali di azione successivi, ma un potenziale di membrana
membrana instabile
detto potenziale pacepace-maker o segnapasso che parte da -60 mV, che è il valore più negativo che si
raggiunge alla fine di ogni ripolarizzazione (definito
definito potenziale diastolico massimo o PDM)
PDM che
lentamente e continuamente sale verso il valore del potenziale soglia (PS
PS)
PS di -40 mV (questa fase è
detta prepotenziale o PP ed occupa tutto l’intervallo tra potenziali d’azione successivi). Ogni volta
che il potenziale pace-maker depolarizza la membrana portandola al valore soglia, la cellula
autoeccitabile genera un potenziale d’azione. I potenziali d’azione delle cellule miocardiche di
conduzione differiscono da quelli delle fibrocellule di lavoro per diversi aspetti :
Hanno un’ampiezza minore (circa 70 mV);
La fase di depolarizzazione è molto più lenta e raggiunge un’eccedenza di soli pochi mV (circa
+10 mV);
La fase di ripolarizzazione è anch’essa più lenta;
Sono sprovvisti di un plateau;
La loro durata è di poco più breve (circa 150 msec.) anche se è assente il plateau, perchè le fasi
di depolarizzazione e ripolarizzazione avvengono a bassa velocità.
Non esiste un periodo refrattario.
Il potenziale d’azione delle fibrocellule di conduzione si può considerare una sorta di Potenziale al
calcio per la scarsa partecipazione degli ioni Na e K. Le singole fasi di un potenziale d’azione hanno il
seguente andamento ionico:
Depolarizzazione spontanea o prepotenziale PP (Fase 4):
4) questa fase inizia al termine di ogni
potenziale d’azione quando con il progredire della ripolarizzazione il potenziale di membrana
tocca il massimo valore negativo di –60 mV (PDM). Grazie all’attivazione spontanea di particolari
canali cationici presenti solo nelle cellule autoritmiche, denominati canali ionici voltaggiovoltaggiodipendenti F o Funny a cinetica lenta che insolitamente si aprono con l’iperpolarizzazione, si ha
una lenta corrente cationica entrante prevalentemente di ioni Na (in inglese Funny significa
bizzarro, a significare che questa corrente cationica è diversa da quella rapida responsabile della
depolarizzazione delle cellule miocardiche di lavoro) che lentamente depolarizza la membrana
(PP) fino a raggiungere il valore PS a –40 mV. Durante la fase di prepotenziale gradualmente i
canali F si chiudono con la depolarizzazione e questa corrente cationica si autoestingue, mentre
si ha l’attivazione di alcuni canali canali per il Ca.
Depolarizzazione lenta (Fase 0):
0) quando il potenziale di membrana raggiunge il valore del
potenziale soglia PS si ha l’attivazione di tutti i canali ionici voltaggiovoltaggio-dipendenti per il Ca di tipo
T (transitorio
transitorio):
transitorio ciò da inizio ad una corrente entrante di ioni calcio che innesca in modo
autorigenerativo la fase di depolarizzazione del potenziale d’azione che procede rapidamente, ma
certamente più lentamente (per la lenta cinetica dei canali per il calcio) rispetto alla fase di
depolarizzazione delle fibrocellule di lavoro dovuta all’attivazione dei canali rapidi del Na (questi
canali sono presenti anche nel miocardio di conduzione ma a –40 mV sono già tutti inattivati). Il
potenziale di membrana si annulla e si arriva all’inversione del segno, fino ad avere un’eccedenza
anche se piccola (+10 mV). Al picco si ha l’inattivazione dei canali del Ca, la corrente di calcio
gradualmente si autoestingue e con essa la depolarizzazione della membrana.
Fase 1 e Fase 2 assenti:
assenti ciò è dovuto al fatto che nelle cellule autoritmiche mancano i canali ionici
anomali del K,
K per cui l’estinzione della corrente entrante di calcio non è controbilanciata da una
corrispondente riduzione della corrente uscente di potassio; manca così un periodo di
depolarizzazione stazionaria della membrana ed interviene, senza ritardo, la fase di
ripolarizzazione della membrana.
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Appunti di FISIOLOGIA – a cura di Fabio Zonin
5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
Ripolarizzazione lenta (Fase 3):
3) la fase di ripolarizzazione da una parte è dovuta all’ inattivazione
dei canali del calcio e dall’altra all’apertura dei canali ionici voltaggiovoltaggio-dipendenti per il K tardivi,
tardivi
che da inizio alla corrente uscente di potassio. Poiché la membrana delle cellule miocardiche di
conduzione è povera di canali Kv manca una valida corrente ionica uscente di potassio e la fase di
ripolarizzazione è lenta ed è praticamente dovuta quasi unicamente all’estinzione della corrente
entrante di calcio. Alla fine della ripolarizzazione si raggiunge il valore del potenziale diastolico
massimo (PDM) di –60 mV.
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5 – APPARATO CARDIOVASCOLARE
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