Fisiologia dell’apparato cardiovascolare:•Introduzione storica (W. Harvey)•Definizione•Elementi costitutivi•Modello semplificato•Classificazione composizione e funzione dei vasi•Caduta di pressione nel sistema•Velocità del sangue nel circuito•Volume di sangue e sua distribuzione: compliance e capacitanza•Pressione circolatoria media•La pompa: struttura macroscopica del cuore•Valvole cardiache•Pareti delle quattro camere•Potenziale d’azione cardiaco•Variazioni di eccitabilità: periodi refrattari•Cellule nodali e potenziale di pacemaker•Determinazione della frequenza cardiaca•La conduzione nel cuore

STORIA:La fisiologia è una scienza sperimentale: nulla è dato per scontato!Esempio: la circolazione del sangueFino al XVII° secolo vigevano le teorie fondate sulla filosofia aristotelica, secondo cui la natura è formata di 4 elementi (aria, acqua, fuoco, terra). Il corpo umano è una fucina che fabbrica in continuazione umori cattivi, che devono essere eliminati e produce il calore necessario alla vita. Il cuore è una pompa (già allora) che spinge il sangue, continuamente formato dal fegato: la metà destra nelle vene che si distribuiscono alla cute per disperdere gli umori maligni, la metà sinistra nelle arterie per diffondere il calore formato dai polmoni, ritenuti una fornace

IL SISTEMA CARDIOCIRCOLATORIO

E' un sistema di trasporto che mette in movimento un tessuto liquido (sangue), specializzato per la distribuzione di: gas respiratori (ossigeno e anidride carbonica), ioni, materiali nutritizi (glucidi, aminoacidi, lipidi), prodotti di scarto del metabolismo cellulare, proteine, messaggeri chimici (ormoni), acqua, calore.

ELEMENTI COSTITUTIVI: pompa cardiaca (doppia), tubi, elementi filtranti. Due sistemi in serie: circolo sistemico, costituito da numerosi sistemi in parallelo e circolo polmonare.

arteriolevenule

Vasi di resistenza

Capillari

vasi di scambio

Arterie

vasi di trasporto

Vene

vasi di capacitanza

Sangue

tessuto liquido

Cuore

pompa

20 : 1

MODELLO SEMPLIFICATO DEL SISTEMA CIRCOLATORIO

I VASI. La loro struttura non è omogenea e la differenziazione funzionale dipende dalla struttura. Sono elementi costitutivi comuni della parete dei vasi:

l'endotelio, con la sua membrana basale;

la media, contenente fibre muscolari liscie, fibre elastiche e fibre collagene in diverse proporzioni;

l'avventizia, contenente tessuto connettivo lasso, terminazioni nervose (simpatiche) e vasi (vasa vasorum).

Gli elementi della media possono essere disposti su più strati e la direzione delle fibre (muscolari ed elastiche) può essere circolare o spirale, fino a diventare quasi longitudinale.

Avventizia

f. connettive

f. elastiche

f. muscolari lisce

membr. basale

cell. endoteliali

Componenti della parete

arterie

arteriole

capillari

venule

vene

ARTERIE: di grosso calibro; prevale la componente elastica; funzione: mantenimento della pressione in diastole (effetto mantice: windkessel);

ARTERIOLE: meno di 200 micron; distinzione funzionale più che anatomica; prevale la componente muscolare, a disposizione circolare; funzione: determinazione della resistenza d'ingresso al microcircolo e della resistenza periferica totale;

CAPILLARI: meno di 8 micron; parete costituita solo di endotelio e membrana basale; funzione: scambi (non possono avvenire negli altri distretti);VENULE: parete relativamente muscolare; funzione: regolazione della resistenza postcapillare; deposito volume circolante: facilita ritorno venoso

VENE MEDIE E GRANDI: prevale progressivamente la componente collagene, con elementi muscolari; funzione: regolazione della capacitanza sistemica.

CIRCOLO POLMONARE: minori differenze fra arterie e vene; scarsa componente muscolare; mancano le arteriole (pressione più bassa).

PRESSIONE NEL CIRCOLO SISTEMICO: all'uscita dal cuore è pulsatile (80-120 mmHg; media 95); nelle grandi arterie diminuisce poco il valore medio e aumenta la pulsatilità; nelle arteriole c'è grande caduta di pressione (fino a 30-35 mmHg) e sparisce la pulsatilità; nei capillari, ulteriore caduta, fino a 10 mmHg; fino all'atrio destro ulteriore progressiva caduta fino a 0 mmHg.

V. s

x

Atr

io d

x

0

120

mm

Hg

60A

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i

Art

erie

pic

cole

Art

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le

Cap

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ri

Ven

ule

Ven

e

Aor

ta

Le arteriole sono i vasi di resistenza perché a questo livello è massima la caduta di pressione; inoltre, sono i principali regolatori della resistenza perché hanno muscolatura liscia abbondante e a disposizione circolare e sono riccamente innervate.

VELOCITA' DEL SANGUE NEL CIRCUITO: è inversamente proporzionale alla sezione

totale di ogni compartimento: massima nell'aorta, ridotta nelle arteriole, molto

bassa nei capillari; nelle vene che tornano al cuore la velocità va aumentando, ma

non raggiunge quella dell'aorta perché la sezione delle grandi vene è maggiore.

aorta

gra

ndi art

eri

e

pic

cole

art

eri

e

art

eri

ole

capillari

venu

le

picco

le

vene

Gra

ndi

vene

Vene centrali

Dimostrazione schematica (non in scala) delle variazioni della sezione totale del letto vascolare a diversi livelli. Diminuisce il diametro dei singoli vasi, ma aumenta la sezione totale. A pari livello, la sezione delle vene è maggiore di quella delle arterie.

DISTRIBUZIONE DEL SANGUE: è funzione della capacitanza di ogni distretto: circa 4/5 sono contenuti

nelle vene; una parte non trascurabile è contenuta nei capillari.

DISTRIBUZIONE DEL VOLUME IN ECCESSO: il sistema circolatorio è

disteso e pertanto gli elementi elastici sono in tensione e sviluppano

pressione.

A cuore fermo, il circuito contiene una PRESSIONE CIRCOLATORIA MEDIA

(anche detta sistemica media o pressione di riempimento) di 7 mmHg.

Il volume di sangue che genera questa pressione si deve considerare come

volume in eccesso

il rapporto fra la componente venosa e arteriosa del volume in eccesso è di 20:1

Il rapporto fra volume in eccesso e pressione sviluppata si chiama complianza (compliance V/P):

dipende dall'elasticità dei vasi. La compliance venosa è molto maggiore di quella arteriosa. La compliance del circolo polmonare è elevata in tutti gli

elementi.L’inverso della compliance è la

capacitanza: P/V

LA POMPA. La struttura del cuore comprende 4 cavità (atrii e ventricoli),

separate da un setto in: metà destra, che riceve sangue venoso dalle vene sistemiche e lo pompa nell'arteria

polmonare e metà sinistra che riceve sangue arterioso dalle vene plomonari e lo

pompa nell'aorta

Il funzionamento delle valvole è passivo: si aprono e si chiudono seguendo

gradienti di pressione.

Il cuore è dotato di una coppia di valvole atrio-ventricolari (tricuspide e mitrale) e una coppia di valvole semilunari, che

separano i ventricoli dalle rispettive arterie

La presenza di valvole conferisce unidirezionalità al movimento del

sangueNon esistono valvole fra le vene e gli atrii

Lo spessore della parete delle camere cardiache è proporzionale alla pressione che ogni camera sviluppa: sottile negli atri, più spesso nel ventricolo destro,

molto più spesso nel ventricolo sinistro. Prima della nascita le pareti ventricolari hanno spessori simili perché a destra la

pressione è elevata come a sinistra. Sono possibili variazioni patologiche (es.

ipertrofia).

IL POTENZIALE D'AZIONE CARDIACO

Si distinguono diversi tipi di cellule: nodali (nodo seno-atriale e nodo atrio-

ventricolare); di conduzione (fascio di His e fibre di Purkinije); comuni o di lavoro. I

meccanismi elettrici e di membrana sono simili a quelli delle altre cellule eccitabili: ci soffermeremo soprattutto sulle differenze.

MIOCARDIO COMUNE: potenziale in 5 fasi

0 - depolarizzazione rapida per apertura di canali per il sodio voltaggio-dipendenti

1 - parziale breve ripolarizzazione per aumento transitorio conduttanza al cloro e al potassio

3 - ripolarizzazione per progressivo aumento della conduttanza al potassio e chiusura dei canali lenti;

4 - potenziale di riposo, stabile a -90 mV.

2 - plateau: potenziale stabile su valori leggermente positivi per circa 0.2 s; dovuto all'aumento della conduttanza al calcio (apertura di "canali lenti") e riduzione della conduttanza al potassio

0 .05 .10 .15 .20 .25 .30 .35 .40 .45 s

-90

-45

0

45

mV

0 - depolarizzazione rapida per apertura di canali per il sodio voltaggio-dipendenti

Arresto per chiusura ritardata canali sodio

1 - parziale breve ripolarizzazione per aumento transitorio conduttanza al cloro e al potassio

2 - plateau: potenziale stabile su valori leggermente positivi per circa 0.2 s; dovuto all'aumento della conduttanza al calcio (apertura di "canali lenti") e riduzione della conduttanza al potassio

3 - ripolarizzazione per progressivo aumento della conduttanza al potassio e chiusura dei canali lenti;

4 - potenziale di riposo, stabile a -90 mV. Conduttanza al sodio molto scarsa; conduttanza al potassio elevata. La pompa Na+/K+ ristabilisce i gradienti di concentrazione

Durante il plateau si verifica una corrente di calcio, molto importante per l'accoppiamento elettromeccanico e per

la regolazione della contrattilità

Variazioni di eccitabilità durante il potenziale d'azione: periodi refrattari. La risposta meccanica compare durante il potenziale e ha circa la stessa durata: il

cuore non può essere tetanizzato

contrazione

Periodo refrattario assoluto

Periodo refrattario relativo

Eccitabilità normale

0 .05 .10 .15 .20 .25 .30 .35 .40 .45 s

-90

-45

0

45

mV

ECCEZIONI ALLE REGOLE SOPRA ESPOSTE: effetto di variazioni del potenziale di riposo molto lente: accomodazione.

I canali Na+ voltaggio dipendenti si inattivano prima di aprirsi; lo spike diminuisce e la cellula può diventare ineccitabile.

I canali Na+ voltaggio dipendenti possono trovarsi in tre diverse condizioni:

1.Attivi ma chiusi (a riposo, polarizzazione)

2.Aperti (spike)3.Inattivi (apice dello spike; periodo

refrattario assoluto)

Modello di funzionamento dei canali voltaggio-dipendenti

E

I

Fattore di attivazione

Fattore di inattivazione

polarizzazione

depolarizzazione

Canale Na+ voltaggio-dipendente.

Fattore di attivazione e di inattivazione

CELLULE NODALI. Il funzionamento del cuore è automatico, perché le cellule nodali

sono in grado di auto-eccitarsi ritmicamente: funziona da generatore

(pace-maker) primario il nodo senoatriale perché è dotato di ritmicità a frequenza

maggiore

Il potenziale d'azione delle cellule nodali ha le seguenti caratteristiche:

1 - minore negatività alla fine della ripolarizzazione (-60 mV), dovuta a più elevata conduttanza al sodio

2 - lenta depolarizzazione spontanea dopo la ripolarizzazione, fino al raggiungimento di un livello soglia (potenziale di pace-maker), dovuta a progressiva riduzione della conduttanza al potassio

3 - fase di salita del potenziale più lenta che nelle cellule di lavoro, per apertura

solo di canali lenti

4 - assenza di plateau.

prepotenziale

Miocardio di lavoroCell. nodali

Prepotenziale: diminuzione conduttanza K+

Salita lenta: canali Ca2+Ripolarizzazione: corrente K+

Arresto ripolarizzazione: corrente Na+

Determinazione della frequenza cardiaca: dipende dalla pendenza del potenziale di

pace-maker e dal livello di ripolarizzazione (regolazione nervosa).

CONDUZIONE NEL CUORE:

propagazione elettrotonica da cellula a cellula attraverso ponti laterali con

giunzioni stretteImportanza dell'ampiezza e della velocità della depolarizzazione nel determinare la

velocità di conduzione

Vie di conduzione: fasci atriali funzionali, nodo AV, fascio di His, fibre di Purkinje,

miocardio comune

Variazioni della velocità di conduzione

Determinazione dell'intervallo atrio-ventricolare

Osservare: sequenza temporale; variazione di morfologia