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Il sistema circolatorio e i vasiIl sistema circolatorio

Il sistema circolatorio umano è suddiviso in due circolazioni: la circolazione polmonare e la circola-zione sistemica.

La circolazione polmonare inizia nel ventricolo destro. Il sangue povero di ossigeno entra nelle arte-rie polmonari che diventano arteriole polmonari e raggiunge i polmoni nei capillari polmonari. A li-vello alveolare, attraverso i capillari polmonari, avviene lo scambio di gas. L’anidride carbonicaviene ceduta agli alveoli e poi eliminata con l’espirazione, mentre l’ossigeno entra nei capillari pol-monari e si lega all’emoglobina presente nei globuli rossi. I capillari polmonari diventano venule epoi vene polmonari che riportano il sangue ricco di ossigeno all’atrio sinistro dove termina la circo-lazione polmonare.

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La circolazione sanguigna è quindi in relazione con l’apparato respiratorio in quanto l’ossigenoconsumato dalle cellule durante i processi metabolici deve essere acquisito dall’aria esterna che ne èmolto ricca, mentre l’anidride carbonica prodotta dalle cellule durante i medesimi processi metabo-lici deve essere eliminata dal corpo. Il sangue trasporta l’ossigeno legato all’emoglobina (98,5% ditutto l’ossigeno trasportato) o disciolto nel sangue (1,5% di tutto l’ossigeno trasportato). L’ossigenodiffonde nelle cellule attraverso la parete dei capillari e diffonde nel sangue attraverso la parete de-gli alveoli e dei capillari grazie al meccanismo della diffusione, trasporto passivo che non impiegaenergia e basato sulla differenza di concentrazione dell’ossigeno ai due lati della membrana cellula-re. Negli alveoli vi è maggiore concentrazione di ossigeno che nei capillari polmonari. Nei capillarisistemici vi è maggiore concentrazione di ossigeno che nelle cellule.

Il sangue trasporta anche l’anidride carbonica in parte legata all’emoglobina (circa il 30% di tuttal’anidride carbonica trasportata), ma in larga misura sotto forma di acido carbonico a seguito dellareazione chimica fra l’anidride carbonica e l’acqua catalizzata dall’enzima carbanidrasi (circa il70% di tutta l’anidride carbonica trasportata). Anche in questo caso il passaggio di anidride carboni-ca dalle cellule al sangue e dal sangue agli alveoli avviene per diffusione. In questo caso la concen-trazione di anidride carbonica nelle cellule e superiore a quella nei capillari sistemici e quella neicapillari polmonari è superiore a quella negli alveoli.

L’apparato respiratorio, come abbiamo già visto, è corresponsabile della regolazione del valore dipH del sangue. La circolazione sistemica inizia nel ventricolo sinistro. Il sangue entra nell’aorta epuò poi seguire quattro strade: tramite le arterie carotidi può salire nella testa, tramite le arterie bra-chiali può giungere nelle braccia, tramite le arterie coronarie può irrorare il cuore e tramite l’aortastessa può andare in tutta la parte inferiore del corpo. Le arterie diventano arteriole e poi capillari si-stemici attraverso i quali avvengono gli scambi di gas e nutrimenti. | capillari sistemici diventanovenule, quindi vene e per finire vene cave (inferiore e superiore) che riportano il sangue all’atrio de-

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stro.

La circolazione sanguigna è in relazione con l’apparato urinario. Gli scarti dei processi metabolicidevono essere eliminati dal sangue e questo avviene grazie all’apparato urinario. Il sangue giunge aireni che lo filtrano (Tutto il sangue viene filtrato e solo le proteine più grosse evitano la filtrazione),e poi avviene tutto il processo di riassorbimento di acqua e sostanze importanti (ioni sodio, gluco-sio, ioni calcio se necessario, eccetera). Al termine del processo, tutto quanto non è stato riassorbitoviene eliminato come urina.

I reni sono corresponsabili, come vedremo più avanti, della regolazione del valore di pH del sangue.

Il sangueIl sangue è un liquido rosso costituito per il 55% da plasma e per il 45% da cellule. Il plasma e unliquido di colore giallo paglierino costituito per il 90% da acqua e per il rimanente 10% da proteinee Sali minerali. || plasma ha un pH di circa 7,38-7,42 che deve rimanere stabile. Anche la quantità diioni calcio e di glucosio deve essere stabile. La calcemia (quantità di ioni calcio) deve essere com-presa fra 9,4 mg/dl e 10,5 mg/dl). Se scende al di sotto del valore minimo l’organismo reagirà peraumentarla, liberando calcio dalle ossa, aumentando il riassorbimento renale di calcio e aumentandol’assorbimento intestinale di calcio. Se invece la calcemia sale al di sopra del valore massimol’organismo reagirà per diminuirla, depositando calcio nelle ossa, diminuendo il riassorbimento re-nale di calcio e diminuendo l’assorbimento intestinale di calcio. Nel primo caso sarà l’ormone calci-tonina prodotto dalla tiroide a intervenire, nel secondo caso sarà l’ormone paratiroideo prodotto dal-le paratiroidi a intervenire.

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Un altro parametro importante è la glicemia (quantità di glucosio). Se la glicemia diventa troppoalta, interviene l’insulina (prodotta dal pancreas) che stimola la produzione di glicogeno da parte delfegato e stimola il metabolismo delle cellule che consumano glucosio. Se la glicemia si abbassa, in-terviene il glucagone (prodotto dal pancreas) che stimola il rilascio di glucosio da parte del fegato.Le cellule del sangue sono prodotte dal midollo osseo rosso. Tutte le cellule del sangue derivano daun’unica cellula madre. Le cellule principali (circa 5 milioni al mm3) sono i globuli rossi che nonhanno nucleo e contengono l’emoglobina che serve a trasportare l’ossigeno e, in misura minore,l’anidride carbonica. Le altre cellule sono i globuli bianchi (circa 7000 al mm3) che hanno funzioniimmunitarie. Nel sangue circolano anche le piastrine che sono resti di cellule frantumate (circa250000 al mm3) e che hanno funzioni di riparazione in caso di ferite (entrano nel complesso deiprocessi che portano all’arresto della perdita di sangue e alla formazione della crosta quando ci siferisce).

Il ciclo cardiacoIl ciclo cardiaco può essere definito come l’insieme di eventi che compongono la contrazione delmiocardio e l’espulsione di sangue dai ventricoli verso la piccola e la grande circolazione. Il ciclocardiaco dura circa 0,8s e si compone di 3 fasi di durata diversa. La prima di queste fasi che duracirca metà del tempo del ciclo è una fase di totale rilassamento del miocardio. Sia gli atri (le due ca-mere superiori che ricevono il sangue in arrivo dal corpo e dai polmoni) che i ventricoli (le due ca-mere inferiore che spingono il sangue verso i polmoni e verso il corpo) sono rilassati (in diastole) ele valvole che li separano (mitrale o bicuspide a sinistra e tricuspide a destra) sono aperte. Il sangueproveniente dalle due vene cave (superiore e inferiore) entra nell’atrio destro e cade nel ventricolodestro. Il sangue proveniente dalle vene polmonari entra nell’atrio sinistro e cade nel ventricolo si-nistro. Terminata questa fase, avviene la contrazione (o sistole) atriale. I due atri si contraggono espingono il sangue ancora contenuto nei due ventricoli che si riempiono al massimo. Questa fasedura circa 0,1s. Di seguito avviene la fase di contrazione (o sistole) ventricolare nella quale i ventri-coli si contraggono. Sotto l’effetto dell’aumento di pressione all’interno dei ventricoli, le valvole bi-cuspide a sinistra e tricuspide a destra, 7 che separano atri e ventricoli, si chiudono, mentre le valvo-le semilunari che separano il ventricolo destro dalle arterie polmonari e il ventricolo sinistrodell’aorta si aprono. Il sangue viene espulso con forza nelle arterie polmonari e nell’aorta. Nellostesso tempo gli atri cominciano a rilassarsi (diastole atriale) e a riempirsi nuovamente di sangue.Terminata questa fase si ricomincia da capo (per questo motivo è un ciclo). La diastole ventricolareporta alla chiusura delle valvole semilunari e all’apertura di bicuspide e tricuspide.

La chiusura delle valvole può essere auscultata e il rumore rappresenta il battito cardiaco. Il primo“tump” riflette la chiusura di bicuspide e tricuspide, il secondo “tump” riflette la chiusura delle se-milunari.

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Ciclo cardiacoAttività elettrica del cuore

Per gestire questo ciclo, il cuore è dotato di alcune cellule particolari in grado di generare un impul-so elettrico che coordina la contrazione dell’intero muscolo cardiaco.

Queste cellule si trovano in due punti distinti, entrambi situati nell’atrio destro e uniti fra loro da fi-bre. Altre fibre attraversano la muscolatura da un atrio all’altro, lungo il setto e risalgono la pareteventricolare.

il primo punto si trova nell’atrio destro poco sotto l’entrata della vena cava superiore e si chiamanodo seno atriale. Questo nodo è il pace-maker naturale del cuore e ogni 0,8s circa emette un impul-so che attraversa gli atri e li spinge a contrarsi. L’impulso giunge al secondo punto, il nodo atrioventricolare che si trova poco sopra l’inizio del setto. Questo nodo rallenta l’impulso e lo trasmetteal setto e ai ventricoli con un ritardo di 0,1s. Il setto è attraversato dal fascio di His e le pareti ventri-colari dalle fibre di Purkinje, le quali risalendo verso l’alto permettono una contrazione dal bassoverso l’alto.

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L’elettrocardiogrammaL’attività elettrica del cuore può essere monitorata e controllata mediante l’elettrocardiogramma(ECG) che viene misurato applicando degli elettrodi sul petto in punti ben determinati o sui polsi esulle caviglie. In base ai punti in cui viene applicato si ottengono curve leggermente diverse chepermettono anche di osservare eventuali patologie.

In linea generale l’ECG ha la forma seguente:

L’onda P rappresenta la depolarizzazione degli atri (sistole atriale), il complesso QRS rappresenta ladepolarizzazione dei ventricoli e la ripolarizzazione degli atri e l’onda T rappresenta la ripolarizza-zione dei ventricoli.

Punti di derivazione per l’ECG. Questa immagine mostra i punti nei quali sistemare gli elettrodi pereffettuare l’ECG.

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Arterie, capillari e veneIntroduzione

Il sangue, negli esseri umani e nei vertebrati, circola in vasi sanguigni chiusi e compie una serie digiri partendo dal cuore e ritornando al cuore. Negli esseri umani questo avviene in due circolazioni,quella polmonare e quella sistemica. Durante la progressione dal cuore verso la periferia (polmoni eorgani), i vasi sanguigni si rimpiccioliscono sia nel diametro del lume che nello spessore delle paretifino a raggiungere le dimensioni più piccole in periferia, per poi ingrandirsi nuovamente nel ritornoal cuore.

Dal cuore partono quindi le arterie (aorta, la più grande arteria del corpo e arterie polmonari) checonfluiscono in arterie sempre più piccole fino a giungere ai capillari (in periferia) estremamentesottili (come un capello appunto) per poi convergere in vene sempre più grandi fino alle vene cavesuperiore e inferiore che sono le vene più grandi.

ArterieLe dimensioni delle arterie si riducono man mano che si allontanano dal cuore. A| minimo delle di-mensioni, le arterie diventano capillari.

Come si può osservare dall’immagine l’arteria è costituita, partendo dall’interno, da un endoteliomonostratificato. Intorno all’endotelio troviamo la muscolatura liscia involontaria che permette lacontrazione dell’arteria per spingere il sangue e delle fibre elastiche che permettono all’arteria dimantenere la sua forma. Un terzo strato spesso di fibre robuste non elastiche serve a dare protezioneall’arteria. || lume dell’arteria è relativamente ridotto di diametro in rapporto allo spessore della pa-rete. L’arteria deve resistere alla pressione del sangue che scorre al suo interno. In particolare, l’aor-ta che riceve il sangue in uscita dal cuore e quindi con la massima pressione, è molto spessa.

I capillari

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Come si può osservare i capillari sono costituiti da un endotelio monostratificato che può esserecontinuo (quindi senza spazi 0 fori) e ricoperto da lamina basale continua. Questi capillari si trova-no nei muscoli, nel tessuto nervoso e nel tessuto connettivo. In alcuni casi, come nel midollo osseoo in alcune ghiandole endocrine, l’endotelio presenta dei fori e la lamina basale non è continua.Questo permette degli scambi più facilitati fra capillare e periferia. Nel fegato sono presenti invecedei capillari nei quali l’endotelio presenta vistose lacune e la lamina basale è assente o molto di-scontinua. Questo permette ampi scambi tra capillare e cellule epatiche.

Il diametro dei capillari è molto sottile, inferiore alle dimensioni dei globuli rossi che devono passa-re al suo interno lentamente. Questo favorisce lo scambio di gas e nutrimenti con le cellule. Il capil-lare collega la parte terminale di un’arteria con la parte distale di una vena.

Le veneLe pareti delle vene sono molto più sottili di quelle delle arterie in quanto non serve che siano tantospesse perché il sangue che scorre nelle vene ha una pressione minore.

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Come si può osservare, le vene sono costituite da un endotelio monostratificato, circondato da ela-stina e fibre muscolari più sottili di quelle delle arterie. A completare la parete delle vene vi è, comenelle arterie, uno strato di fibre non elastiche. La parete delle vene non è spessa come quella dellearterie in quanto il sangue ha una pressione di gran lunga minore. Il lume è, in compenso, più largo.Per permettere la progressione del sangue in salita, all’interno del lume sono presenti delle valvoleche impediscono il ritorno del sangue verso la periferia. Le vene sono spesso circondate dai

muscoli scheletrici (braccia e gambe) che aiutano il ritorno venoso verso il cuore. A livello addomi-nale, sono le differenze di pressione causate da inspirazione ed espirazione, ad aiutare il ritorno ve-noso. A complemento di quanto visto abbiamo un’immagine conclusiva che riprende i tre tipi divasi sanguigni:

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La capacità cardiaca, la pressione arteriosa, lo scambiodi gas e l’attività muscolare

La capacità cardiacaLa capacità cardiaca, detta anche Gittata Cardiaca, viene definita come la quantità di sangue che iventricoli espellono in un minuto. Matematicamente è data dal prodotto fra la gittata sistolica e lafrequenza cardiaca:

La gittata sistolica equivale al volume di sangue che ogni ventricolo espelle a ogni battito cardiacomentre la frequenza cardiaca equivale al numero di battiti al minuto. Poiché ogni ciclo cardiaco, ariposo, dura 0,8 secondi, in un minuto abbiamo normalmente 75 battiti. Quindi FC = 75 battiti/min.

La gittata sistolica si può misurare con l’ecocardiogramma, misurando il volume tele sistolico (vo-lume di minimo riempimento del ventricolo, alla fine della sistole ventricolare, subito prima delladiastole ventricolare) e il volume tele diastolico (volume di massimo riempimento del ventricolo,alla fine della diastole ventricolare, subito prima della sistole ventricolare). Sottraendo il volumetele sistolico al volume tele diastolico si ottiene la gittata sistolica che nell‘uomo adulto a riposoequivale a 70 ml (120 ml — 50 mi).

Quindi nell’uomo adulto a riposo, la gittata cardiaca e pari a:

In pratica poco più di 5 litri al minuto che è poi il contenuto di sangue del corpo umano. A riposoquindi tutto il nostro sangue passa attraverso il cuore in un minuto.

La gittata cardiaca è controllata dallo stesso cuore e può venire modificata in base a diversi aspetti.Il ritorno venoso è per esempio un fattore di modifica della gittata sistolica e quindi della gittata car-diaca. Se il ritorno venoso aumenta (quando ci sdraiamo, ad esempio), l’afflusso all’atrio destro au-menta e quindi le fibre muscolari si tendono e la contrazione del ventricolo aumenta in modo daespellere la stessa quantità di sangue che è entrata. Se il ritorno

venoso diminuisce (quando si sta troppo in piedi, ad esempio), l’afflusso all’atrio destro diminuiscee quindi le fibre muscolari si rilassano e la contrazione del ventricolo diminuisce in modo da espel-lere la stessa quantità di sangue che è entrata.

Oltre a questo aspetto ne vediamo in dettaglio altri tre.

La pressione arteriosaQuando il ventricolo sinistro si contrae (sistole ventricolare), il sangue entra nell’aorta con una de-terminata forza che dipende dalla contrazione del ventricolo. Il sangue è un fluido che colpiscel’aorta su una determinata superficie causando una pressione che dipende anche dalla resistenza chel’aorta esercita al passaggio del fluido e quindi dalla viscosità del fluido.

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GC=GS⋅FC

GC=70ml

battito⋅75 battiti

min=5250

mlminuto

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Una pressione normale (120-140 mmHg in un uomo adulto in base alla corporatura), implica unflusso regolare di sangue e una gittata cardiaca normale. L’ipotensione arteriosa comporta un au-mento della gittata sistolica in quanto l’aorta fa minore resistenza e il cuore può svuotarsi maggior-mente. L’ipertensione arteriosa comporta una maggiore resistenza dell’aorta e il cuore si svuota dimeno. La gittata sistolica diminuisce.

La pressione arteriosa si misura generalmente al braccio stringendo l’arteria brachiale in un mani-cotto gonfiato di aria. Quando la pressione nel manicotto è superiore alla pressione arteriosa il flus-so di sangue attraverso l’arteria brachiale viene interrotto. L’operatore non sente alcun rumore nellostetoscopio. Diminuendo la pressione nel manicotto, l’arteria si apre poco alla volta. Quando lapressione nel manicotto è pari a quella arteriosa il sangue comincia a superare l’ostacolo a fiotti.L’operatore sente distintamente dei battiti nello stetoscopio e come sente il primo battito legge lapressione indicata. Quella è la pressione sistolica. Continuando a diminuire la pressione nel mani-cotto si permette al sangue di scorre meglio. Quando la pressione nel manicotto è pari a quella dia-stolica, il sangue scorre linearmente e i battiti si interrompono. L’operatore legge la pressione indi-cata.

Visualizzazione della misurazione della pressione.

Lo scambio dei gasLo scambio di gas avviene a livello alveolare e cellulare. Negli alveoli, l’aria inspirata provenientedall’esterno contiene una maggiore quantità di ossigeno rispetto ai globuli rossi e una quantità mi-nore di anidride carbonica. In presenza di un’elevata quantità di ossigeno, l’emoglobina si lega aquesto gas. L’ossigeno quindi, per diffusione, supera l’endotelio alveolare e capillare e raggiunge iglobuli rossi dove si lega all’emoglobina. L’anidride carbonica lascia il plasma e compie il camminoinverso sempre per diffusione. L’aria espulsa dai polmoni risulta più ricca di anidride carbonica epiù povera di ossigeno per rapporto all’aria esterna.

La PO2 alveolare è di 100 mmHg mentre quella nel sangue venoso è di 40 mmHg. Questa differen-za di pressione spinge l’ossigeno ad entrare nel sangue dove si lega all’emoglobina. Il sangue arte-rioso che esce dai polmoni ha una PO2 di 100 mmHg, mentre l'aria che viene espirata ha una PO2 di40 mmHg. Quando il sangue arriva alle cellule, la PO2 intracellulare è di 40 mmHg, quindi l’ossige-

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no entra nelle cellule fino a riportare il valore intracellulare a 100 mmHg. il sangue venoso che ri-parte dalle cellule ha una PO2 di 40 mmHg e deve tornare ai polmoni per ossigenarsi.

Anche con l'anidride carbonica avviene la stessa cosa, ma al contrario. Nelle cellule la PCO2 è di 46mmHg e, nel sangue arterioso che giunge alle cellule è di 40 mmHg. L’anidride carbonica lascia lecellule ed entra nel sangue. Le cellule si trovano con una PCO2 di 40 mmHg, mentre il sangue ve-noso ha una PCO2 di 46 mmHg. Arrivati ai polmoni dove la PCO2 alveolare è di 40 mmHg, avvieneuno scambio che permette di portare la PCO2 del sangue arterioso al valore di 40 mmHg mentrel’aria espirata avrà una PCO2 di 46 mmHg

Come potete vedere, durante la respirazione sottraiamo all’aria circa il 4% di ossigeno e aggiungia-mo il 4% di anidride carbonica.

L’attività muscolareL’attività muscolare richiede parecchia energia. Le fonti energetiche dei muscoli sono sostanzial-mente 3, le riserve di fosfocreatina, la respirazione cellulare e la glicolisi anaerobica.

Le riserve di fosfocreatina intervengono all’inizio dell’attività muscolare e servono per dare il pri-mo imput di energia mentre la macchina metabolica inizia a funzionare.

La respirazione cellulare che utilizza glucosio derivato dalle riserve di glicogeno del fegato e dallatrasformazione dei grassi in zuccheri (neoglucogenesi) serve a mantenere lo sforzo di lunga durata.

La glicolisi anaerobica interviene quando si fa lo sforzo finale e permette di ottenere quel surplus dienergia per raggiungere un determinato obiettivo.

Al termine dello sforzo occorre ripristinare le riserve di fosfocreatina e l’organismo deve eliminarel’acido lattico derivato dalla glicolisi anaerobica. Durante lo sforzo muscolare, il cuore deve pompa-re molto più sangue al minuto. La FC aumenta (in una persona non allenata passa da 75 battiti alminuto fino a 180-190 battiti al minuto, mentre in una persona allenata passa da 55-60 battiti al mi-nuto fino a 90-120 battiti al minuto). La GS aumenta anch’essa. Anche in questo caso, nella personanon allenata la gittata aumenta da 70 ml fino a 80 ml, mentre in una persona allenata può raggiunge-re anche i 120-130 ml.

Per favorire maggiormente i muscoli, i distretti che non abbisognano di sangue vengono parzial-mente isolati, così il tratto digestivo riceve il minimo di sangue indispensabile, mentre i muscoli, lapelle (che deve smaltire il calore prodotto durante l’attività fisica) ricevono più sangue. Il cervelloriceve sempre la stessa quantità di sangue.

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Vediamo ora la differenza fra un afflusso con GC a riposo (5 litri di sangue al minuto) e sotto sforzointenso (25 litri di sangue al minuto)

Controllo arteriolare del sangue nei diversi distretti periferici

Distribuzione del flusso di sangue ai diversi organi & riposo (GC = 5 l/min); durante un eserciziointenso (GC = 25 l/min).

Si noti che alcuni organi ricevono quasi la stessa quantità di sangue (cervello, ossa), altri una quan-tità maggiore (muscoli, cuore, cute) e altre una quantità minore (rene, fegato e intestino)

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