Il Circuito RC: Un Modello per la Membrana Cellulare PDF

IL CIRCUITO RC: UN MODELLO PER COMPRENDERE LE DINAMICHE DELLA MEMBRANA CELLULARE In questa lezione, esploreremo il comportamento di un circuito RC (Resistenza-Capacità) come modello per comprendere le proprietà passive della membrana cellulare. Utilizzeremo analogie idrauliche per visualizzare megli...

IL CIRCUITO RC: UN MODELLO PER COMPRENDERE LE DINAMICHE DELLA MEMBRANA CELLULARE In questa lezione, esploreremo il comportamento di un circuito RC (Resistenza-Capacità) come modello per comprendere le proprietà passive della membrana cellulare. Utilizzeremo analogie idrauliche per visualizzare meglio come i componenti del circuito influenzano il flusso di corrente e il potenziale nel tempo. Analogo Idraulico del Circuito RC Per comprendere il circuito RC, facciamo riferimento a un analogo idraulico: 1. Pompa: Rappresenta la sorgente di corrente, simile alla batteria nell'esperimento con l'assone del calamaro. 2. Palloncino di Espansione: È il condensatore, un serbatoio con un diaframma elastico che accumula carica. 3. Strozzatura: Rappresenta la resistenza, un ostacolo al flusso di corrente. Principio di Sovrapposizione degli Effetti Inizialmente, il condensatore ha una carica di -70 mV. Essendo un sistema lineare, possiamo applicare il principio di sovrapposizione degli effetti. Ciò significa che possiamo studiare le variazioni di potenziale intorno a questo valore di riposo, considerando il potenziale iniziale come "zero" per semplificare l'analisi. Dinamiche di Carica e Scarica nel Circuito RC 1. Iniziale Carica: Quando la pompa inizia a funzionare, l'acqua (la corrente) inizialmente preferisce la via più facile, ovvero il palloncino (capacità). Questo fa sì che il condensatore si carichi rapidamente. La resistenza, all'inizio, non è attraversata da corrente, quindi ai suoi capi non c'è differenza di potenziale. 2. Fase Transitoria: Man mano che il palloncino si gonfia, la sua "resistenza" al flusso aumenta. Ciò spinge l'acqua a fluire sempre più attraverso la strozzatura (resistenza). 3. Stato Stazionario: Alla fine, tutta l'acqua fluisce attraverso la resistenza e il palloncino raggiunge un nuovo livello di "carica" stazionaria. 4. Scarica: Quando la pompa si ferma, l'acqua accumulata nel palloncino viene "spinta" fuori, con un transiente di scarica speculare a quello di carica. Applicazione del Modello RC alla Fisiologia Il principio di carica e scarica di un condensatore trova riscontro in diversi fenomeni fisiologici, come: Consumo di Ossigeno Durante l'Esercizio: L'aumento del consumo di ossigeno non è immediato durante l'esercizio fisico, ma segue un andamento temporale. L'energia viene inizialmente fornita da riserve muscolari come la fosfocreatina e anche una piccola attivazione delle vie anaerobiche, che poi vengono reintegrate alla fine dell'esercizio. Questa fase di recupero post-esercizio con aumento del consumo di ossigeno permette di "ripagare" il debito di energia accumulato durante l'esercizio stesso. Ulteriore Analogia Idraulica Un'altra analogia utile è quella di una vasca con un rubinetto in alto e una strozzatura sul fondo: Tensione: La pressione sul fondo della vasca. Rubinetto: Sorgente di corrente, paragonabile alla pompa. Strozzatura: La resistenza. Superficie della Vasca: Più che il volume, la superficie di base della vasca rappresenta la capacità del sistema. Quando il rubinetto viene aperto, l'acqua si accumula all'inizio perché la pressione sul fondo è bassa. Man mano che il livello dell'acqua sale, aumenta la pressione, facendo uscire acqua dalla strozzatura. Si raggiunge una situazione di equilibrio quando il flusso in entrata e quello in uscita si equivalgono. Quando il rubinetto viene chiuso, il livello dell'acqua diminuisce gradualmente, e il flusso in uscita dalla strozzatura rallenta progressivamente. Analisi Temporale dei Transitori: La Funzione Esponenziale Per capire la durata dei transienti di carica e scarica, dobbiamo considerare la funzione esponenziale. La variazione di carica nel tempo è descritta da una funzione esponenziale, sia in fase di carica che di scarica. Un fenomeno esponenziale è caratterizzato da una variazione che aumenta o diminuisce di una frazione costante in un determinato intervallo di tempo (Δt). La corrente nella capacità è proporzionale alla corrente iniettata e segue l'andamento e^(-t/τ), dove τ è il tempo caratteristico del circuito. Esempio numerico con la funzione esponenziale: Se e^(-1/τ) è 1.25, la corrente decresce come 1.25^-t Possiamo anche dire che è uguale a 0.8^t, ovvero ad ogni intervallo di tempo la corrente si riduce del 20% (0,8). Se ad esempio l'altezza dell'acqua (H) iniziale è unitaria (H₀ = 1), dopo un intervallo di tempo diventa 0.8, poi 0.64, poi 0.51 ecc... Questo dimostra la natura esponenziale dei transienti nel circuito RC. Spero che questa spiegazione dettagliata sia utile per lo studio del circuito RC e delle sue implicazioni nella fisiologia della membrana cellulare. OSCILLAZIONI DELLA PRESSIONE ATRIALE: UN'ANALISI DETTAGLIATA Questa lezione approfondisce le oscillazioni della pressione atriale durante il ciclo cardiaco, un aspetto fondamentale per comprendere la fisiologia cardiaca. Esamineremo le diverse onde che caratterizzano queste oscillazioni, il loro significato e come vengono misurate in vivo. Le Onde della Pressione Atriale nel Diagramma di Wiggers Il diagramma di Wiggers mostra le variazioni di pressione atriale durante il ciclo cardiaco. Sebbene i valori di pressione differiscano tra l'atrio destro e sinistro, l'andamento delle oscillazioni è simile in entrambi. Le principali onde osservate sono: 1. Onda A: Corrisponde alla sistole atriale, durante la quale la pressione aumenta in seguito alla contrazione atriale che spinge il sangue nel ventricolo. 2. Onda C: Un aumento della pressione che si verifica alla fine della sistole isovolumetrica, causato dal rigonfiamento delle cuspidi delle valvole atrioventricolari nell'atrio, spinte dalla pressione crescente nel ventricolo. 3. Onda X: Una diminuzione della pressione atriale che segue l'onda C, in quanto il piano valvolare  scende e il sangue passa dal ventricolo all'arteria. 4. Onda V: Un aumento della pressione atriale dovuto all'arrivo di sangue dagli atri, mentre la valvola atrioventricolare è chiusa. La pressione raggiunge il massimo alla fine della diastole isovolumetrica. 5. Onda Y: Una diminuzione della pressione che si verifica dopo l'apertura della valvola atrioventricolare, con il passaggio di sangue dall'atrio al ventricolo. Misurazione della Pressione Venosa Centrale (CVP) La pressione venosa centrale (CVP), misurata di solito nella giugulare, fornisce un indice delle variazioni di pressione nell'atrio destro. L'inserimento di una cannula nel vaso permette una misurazione continua della pressione, utile per monitorare le dinamiche emodinamiche. Significato Fisiologico delle Onde Onda A: Contrazione atriale, fondamentale per il riempimento ventricolare soprattutto a frequenze cardiache elevate. Onda C: Chiusura valvolare e aumento transitorio della pressione atriale. Onda X: Diminuzione della pressione atriale, legata al rilasciamento ventricolare e al passaggio di sangue dal ventricolo alle arterie. Onda V: Aumento della pressione atriale durante la fase di riempimento, prima che si apra la valvola atrioventricolare. Onda Y: Fase di riempimento rapido del ventricolo. Insufficienza Tricuspide: Un Esempio di Alterazione del Profilo di Pressione Un'insufficienza tricuspidale (la valvola non si chiude bene) può alterare il profilo delle onde della pressione atriale. Durante la sistole ventricolare, una parte del sangue torna indietro dal ventricolo all'atrio, incrementandone il volume e determinando un'onda V più alta rispetto alla normalità. Ecocardiografia: Una Tecnica per Visualizzare il Ciclo Cardiaco L'ecocardiografia è una tecnica che usa gli ultrasuoni per visualizzare le strutture cardiache e studiare il ciclo cardiaco. Un emettitore sulla parete toracica invia un'onda che viene riflessa dai tessuti, consentendo di tracciare i movimenti delle valvole, ad esempio la mitrale. Esempio di Studio del Movimento della Valvola Mitrale con Ecocardiografia Il profilo ecocardiografico della mitrale mostra: Fase di Chiusura: I lembi della mitrale sono vicini. Riempimento Rapido: I lembi si allontanano. Riempimento Lento: I lembi tendono ad avvicinarsi. Sistole Atriale: I lembi si allontanano di nuovo a causa del flusso di sangue spinto dalla contrazione atriale. Chiusura della Valvola Mitrale: Segna l'inizio della sistole ventricolare. Conclusione L'analisi delle oscillazioni della pressione atriale è cruciale per comprendere la fisiologia del ciclo cardiaco. Le onde A, C, X, V e Y riflettono eventi specifici e possono essere alterate da patologie come le insufficienze valvolari. Tecniche come la misurazione della CVP e l'ecocardiografia sono strumenti preziosi per studiare queste dinamiche. TONI CARDIACI: UN'ANALISI DETTAGLIATA In questa lezione, approfondiamo i toni cardiaci, esplorando la loro origine, le caratteristiche e le informazioni cliniche che possono fornire. I Toni Cardiaci nel Diagramma di Wiggers I toni cardiaci sono generalmente presentati nel diagramma di Wiggers. Ci sono due toni principali (S1 e S2) che sono normalmente udibili, mentre il terzo e il quarto tono (S3 e S4) sono di solito sentiti in condizioni patologiche. Per analizzare accuratamente i rumori cardiaci, è necessaria la fonocardiografia, che registra graficamente i toni e i soffi cardiaci. Soglia Uditiva Umana e Tonalità Cardiaca L'orecchio umano è in grado di percepire frequenze comprese tra 20 Hz e 20 kHz, ma la sensibilità varia a seconda della frequenza. La soglia uditiva minima si trova intorno ai 4 kHz, che coincide con la frequenza della voce umana. I toni cardiaci cadono in un'area di intensità e frequenza dove molti suoni sono sotto la soglia udibile, rendendo udibili solo i suoni che superano questa soglia. Origine dei Toni Cardiaci Principali (S1 e S2) S1 (Primo Tono): Corrisponde alla chiusura delle valvole atrioventricolari (mitrale e tricuspide). Questo tono segna l'inizio della sistole ventricolare. Il suono è generato sia dall'urto dei lembi valvolari che dalla vibrazione della colonna di sangue che sbatte contro le valvole chiuse. S2 (Secondo Tono): Corrisponde alla chiusura delle valvole semilunari (aortica e polmonare). Questo tono segna l'inizio della diastole ventricolare. Anche qui, il suono è generato dalla chiusura delle valvole e dalla vibrazione del sangue. Sdoppiamento dei Toni Sia per S1 che per S2, si possono udire due componenti: S1: M1 (chiusura mitrale) e T1 (chiusura tricuspide), che non avvengono simultaneamente. S2: A2 (chiusura aortica) e P2 (chiusura polmonare), non sempre udibili come sdoppiamento. Lo sdoppiamento di S2 non è fisiologico. Toni Cardiaci Aggiuntivi (S3 e S4)  S3 (Terzo Tono): Si verifica durante il riempimento rapido del ventricolo. Di solito non è udibile in soggetti sani ma può essere presente in alcune patologie o nei bambini. S4 (Quarto Tono): Si verifica durante la contrazione atriale. Si sente in condizioni patologiche e viene anche definito "galoppo atriale". Relazione Temporale dei Toni Cardiaci con il Ciclo Cardiaco S1 si sente all'inizio della sistole (suono protosistolico). S2 si sente all'inizio della diastole (suono protodiastolico). Soffi Cardiaci Oltre ai toni, si possono sentire anche i soffi cardiaci, rumori prolungati generati da un flusso sanguigno turbolento. Soffi Sistolici: Possono essere causati da stenosi aortica o insufficienza mitralica. In caso di stenosi aortica, il passaggio del sangue attraverso la valvola ristretta genera un suono durante la fase di eiezione. Nel caso di insufficienza mitralica, il rigurgito di sangue nell'atrio attraverso una valvola che non chiude bene genera rumore. Soffi Diastolici: Possono essere causati da insufficienza aortica o stenosi mitralica. Nell’insufficienza aortica, il rigurgito di sangue nel ventricolo crea rumore, mentre nella stenosi mitralica, il flusso attraverso la valvola ristretta fa rumore. Tecniche di Misurazione Diretta della Pressione Per misurare direttamente la pressione sanguigna, si utilizza un sistema che include: 1. Catetere: Un tubicino inserito nel vaso sanguigno. 2. Trasduttore di Pressione: Un dispositivo che converte le variazioni di pressione in segnali elettrici. Il trasduttore contiene una membrana elastica deformabile con un circuito (ponte di Wheatstone) che misura la deflessione della membrana dovuta alle variazioni di pressione. 3. Sistema di Visualizzazione: Un monitor che mostra la pressione misurata. Cateterismo Cardiaco Destro (Catetere di Swan-Ganz) Il catetere di Swan-Ganz è un dispositivo utilizzato per il cateterismo cardiaco destro. È costituito da una guaina gialla con diversi tubicini: 1. Lume Distale: La punta del catetere, attraverso cui viene misurata la pressione. 2. Palloncino Gonfiabile: Usato per bloccare il catetere e misurare la pressione di occlusione dell'arteria polmonare ("Wedge"). 3. Termocoppia: Misura le variazioni di temperatura. 4. Lume Prossimale: Permette di iniettare sostanze o misurare la pressione. Procedure di Cateterismo e Misurazioni Il catetere viene inserito attraverso la giugulare, la succlavia o la femorale, arrivando nell'atrio destro. Viene poi fatto passare attraverso la tricuspide nel ventricolo destro, poi nell'arteria polmonare. Gonfiando il palloncino, il catetere viene bloccato nel vaso polmonare più piccolo e la pressione misurata in quella posizione riflette la pressione dell'atrio sinistro (misurazione di “wedge”).  Durante l'inspirazione spontanea, le pressioni si abbassano a causa della diminuzione della pressione intratoracica. Durante la ventilazione meccanica, le pressioni toraciche aumentano, influenzando anche le pressioni cardiache. Conclusione I toni cardiaci, i soffi e le tecniche di misurazione della pressione forniscono informazioni preziose sulla funzione cardiovascolare. Il cateterismo cardiaco destro con il catetere di Swan-Ganz permette di monitorare in modo completo le pressioni cardiache e polmonari, aiutando nella diagnosi e nel monitoraggio delle patologie cardiovascolari. GITTATA CARDIACA: DEFINIZIONE E FATTORI DETERMINANTI La gittata cardiaca, ovvero la quantità di sangue pompata dal cuore in un minuto, è un parametro fondamentale per la funzione cardiovascolare. Si calcola come il prodotto tra la frequenza cardiaca e la gittata sistolica (o volume di eiezione). Equazione della Gittata Cardiaca: Gittata Cardiaca = Frequenza Cardiaca × Gittata Sistolica Frequenza Cardiaca La frequenza cardiaca, ovvero il numero di battiti cardiaci al minuto, è regolata principalmente dal sistema nervoso autonomo: Sistema Nervoso Simpatico: Aumenta la frequenza cardiaca. Sistema Nervoso Parasimpatico: Diminuisce la frequenza cardiaca. Oltre all'innervazione nervosa, anche le catecolamine, come l'adrenalina, possono aumentare la frequenza cardiaca agendo direttamente sul nodo seno-atriale. Gittata Sistolica (o Volume di Eiezione) La gittata sistolica, ovvero la quantità di sangue espulsa dal ventricolo ad ogni contrazione, dipende da diversi fattori: Contrattilità Miocardica: La forza di contrazione dei ventricoli, influenzata da: Sistema Nervoso Simpatico: Aumenta la contrattilità. Adrenalina e altre catecolamine: Aumentano la contrattilità. Relazione Forza-Lunghezza: La forza di contrazione del muscolo cardiaco dipende dalla lunghezza iniziale delle fibre muscolari. Resistenze Periferiche: La resistenza al flusso sanguigno nei vasi periferici, che influenza la pressione arteriosa. La vasocostrizione aumenta la pressione diastolica aortica, mentre la vasodilatazione la abbassa. Postcarico: La pressione contro cui il ventricolo deve contrarsi per aprire la valvola aortica e iniziare l'eiezione. Un aumento del postcarico allunga la fase isovolumetrica. Meccanismi di Regolazione della Gittata Cardiaca La gittata cardiaca può essere modulata regolando sia la frequenza cardiaca che la forza di contrazione. Il sistema nervoso interviene su entrambi i fattori. I meccanismi di regolazione possono essere classificati in: 1. Regolazione Estrinseca (Omeometrica): Controllo Nervoso e Ormonale: Modifica la frequenza di scarica del nodo seno-atriale e la forza di contrazione, influenzando l'ingresso di calcio nel miocardio. Meccanismo Omeometrico: Non comporta variazioni nella lunghezza delle fibre muscolari. Agisce sulla frequenza cardiaca e sulla contrattilità ventricolare. 2. Regolazione Intrinseca (Eterometrica): Relazione Tensione-Lunghezza: Dipende dalla lunghezza delle fibre muscolari cardiache (legge di Frank-Starling). Meccanismo Eterometrico: Basato sulle variazioni di lunghezza dei sarcomeri. Agisce sulla gittata sistolica aumentando il volume di riempimento ventricolare e di conseguenza la forza di contrazione. Frequenza Cardiaca e Meccanismi di Regolazione La frequenza cardiaca dipende esclusivamente dal meccanismo estrinseco e quindi dal sistema nervoso e dagli ormoni. Gittata Sistolica e Meccanismi di Regolazione La gittata sistolica dipende sia dai meccanismi estrinseci che intrinseci. Regolazione Estrinseca: Aumenta la forza di contrazione e quindi il volume di eiezione. Regolazione Intrinseca: L'aumento del volume di sangue nel ventricolo allunga le fibre muscolari e aumenta la forza di contrazione, portando ad una maggiore gittata sistolica. Postcarico e Volume di Eiezione Il postcarico è la pressione aortica che il ventricolo deve superare per iniziare l'eiezione. Un aumento del postcarico (pressione diastolica aortica) diminuisce la gittata sistolica; al contrario, una diminuzione del postcarico aumenta il volume di eiezione. Riepilogo dei Fattori che Influenzano la Gittata Cardiaca Frequenza Cardiaca: Aumentata dal sistema nervoso simpatico e dalle catecolamine. Diminuita dal sistema nervoso parasimpatico. Gittata Sistolica: Contrattilità: Aumentata da sistema nervoso simpatico, catecolamine e meccanismo intrinseco (relazione forza-lunghezza). Postcarico: Un postcarico elevato diminuisce la gittata sistolica. Resistenze Periferiche: Vasocostrizione e vasodilatazione influenzano la pressione diastolica aortica, influenzando il post carico. Conclusioni La gittata cardiaca è un parametro dinamico che si adatta alle esigenze fisiologiche del corpo grazie all'interazione tra sistemi di controllo nervoso, ormonale e intrinseco al cuore stesso. Comprendere questi meccanismi è fondamentale per la comprensione della fisiologia cardiovascolare. REGOLAZIONE NERVOSA DELL'ATTIVITÀ CARDIACA Il cuore è innervato sia dal sistema nervoso parasimpatico che dal sistema nervoso simpatico. Questi due sistemi hanno effetti antagonisti e sono fondamentali per modulare la frequenza cardiaca e la forza di contrazione, influenzando la gittata cardiaca. Innervazione Parasimpatica Le fibre parasimpatiche raggiungono gli atri attraverso il nervo vago. I neuroni pregangliari si trovano nel nucleo motore dorsale del vago. Questi neuroni inviano assoni ai gangli intramurali nel cuore. Innervazione Simpatica Le fibre simpatiche innervano sia atri che ventricoli. Le fibre pregangliari emergono dai primi tratti toracici del midollo spinale. Queste fibre fanno sinapsi nei gangli delle catene paravertebrali. I neuroni postgangliari innervano il cuore. Centri di Controllo Nervoso dell'Attività Cardiaca Il controllo dell'attività cardiaca è mediato da complessi circuiti nervosi: Sistema Parasimpatico: I nervi parasimpatici originano dai nuclei del nervo vago. Sistema Simpatico: I neuroni pregangliari simpatici, che escono dal midollo spinale, hanno bisogno di vie che li connettano ai centri superiori. Il nucleo del tratto solitario riceve informazioni dai recettori e le invia: Al nucleo ambiguo, che modifica l'attività parasimpatica. Al CVLM (bulbo ventrolaterale caudale), che modifica l'attività simpatica. Il ruolo del CVLM e dell'RVLM Il CVLM inibisce l'RVLM (bulbo ventrolaterale rostrale), noto anche come area pressoria. Quando il CVLM è attivo, inibisce l'RVLM, riducendo l'attività simpatica. Quando il CVLM è inibito, l'RVLM si attiva. L'RVLM, quando attivo, scarica sui neuroni pregangliari simpatici, aumentando l'attività cardiaca. Neurotrasmettitori Coinvolti GABA: Utilizzato dalle vie inibitorie dal CVLM all'RVLM. Glutammato: Utilizzato dalle vie eccitatorie dai barocettori al nucleo del tratto solitario e dall'RVLM ai neuroni pregangliari simpatici. Acetilcolina: Utilizzata dalle vie parasimpatiche dal nucleo ambiguo al cuore (atrio).  Vie Modulatorie: Possono essere eccitatorie o inibitorie, a seconda dei recettori coinvolti. Effetto della Regolazione Nervosa sulla Gittata Cardiaca La regolazione nervosa estrinseca può modulare in modo significativo la gittata cardiaca: Massima Attività Simpatica: Può aumentare la gittata cardiaca di 5-6 volte rispetto al valore normale. Massima Attività Parasimpatica: Riduce di poco la gittata cardiaca, sottolineando che, in condizioni di riposo, il sistema simpatico è poco attivo. Dimostrazione dell'Effetto Simpatico L'effetto del sistema simpatico sulla gittata cardiaca è dimostrato dal seguente esperimento: Cuore Isolato: In un cuore isolato, l'aumento della frequenza con stimolazione elettrica porta inizialmente ad un aumento della gittata cardiaca (come indicato nella linea 1 del grafico). Tuttavia, superata una certa frequenza, si osserva una riduzione del volume di eiezione a causa di un ridotto riempimento ventricolare (linea 2). Cuore in Vivo: Nel cuore in vivo, l'attivazione simpatica non solo aumenta la frequenza, ma anche la forza di contrazione (e di conseguenza il volume di eiezione), consentendo un aumento maggiore della gittata cardiaca rispetto a un cuore isolato (linea 3). Riepilogo dei Meccanismi di Regolazione Nervosa Sistema Parasimpatico: Diminuisce la frequenza cardiaca, agendo sul nodo seno-atriale.  Sistema Simpatico: Aumenta sia la frequenza cardiaca (nodo seno-atriale) che la forza di contrazione (miocardio ventricolare), aumentando il volume di eiezione. Conclusione La regolazione nervosa dell'attività cardiaca è un processo complesso che coinvolge diverse aree del sistema nervoso centrale e periferico. L'equilibrio tra l'attività del sistema simpatico e parasimpatico è cruciale per modulare la gittata cardiaca e rispondere alle diverse esigenze fisiologiche dell'organismo. CRONOTROPISMO: REGOLAZIONE NERVOSA DELLA FREQUENZA CARDIACA In questa lezione, approfondiamo il cronotropismo, ovvero la regolazione della frequenza cardiaca, esplorando come il sistema nervoso simpatico e parasimpatico influenzano la depolarizzazione delle cellule pacemaker nel nodo seno-atriale. Meccanismi di Regolazione del Cronotropismo La frequenza cardiaca è regolata attraverso la modulazione della depolarizzazione lenta nel nodo seno- atriale, che è guidata dall'ingresso di corrente, principalmente sodio, attraverso i canali "if". Effetto del Sistema Nervoso Simpatico Noradrenalina: Il neurotrasmettitore del sistema simpatico, agisce sul miocita attraverso una via biochimica complessa: 1. Aumento del cAMP: Il legame della noradrenalina attiva la produzione di cAMP. 2. Attivazione della PKA: L'aumento di cAMP attiva la proteina chinasi A (PKA). 3. Fosforilazione dei Canali If: La PKA fosforila i canali if, aumentando il loro numero e il flusso di sodio entrante nella cellula. Questo aumenta la velocità della depolarizzazione e la frequenza cardiaca. 4. Aumento del Calcio: La PKA fosforila i canali del calcio DHPR e aumenta il rilascio di calcio dal reticolo sarcoplasmatico, con conseguente aumento della frequenza dei potenziali. Effetto Cronotropo Positivo: La noradrenalina ha quindi un effetto cronotropo positivo, aumentando la frequenza cardiaca. Effetto del Sistema Nervoso Parasimpatico Acetilcolina: Il neurotrasmettitore del sistema parasimpatico, ha l'effetto opposto: 1. Diminuzione del cAMP: L'acetilcolina riduce la concentrazione di cAMP. 2. Riduzione dei Canali If: La diminuzione di cAMP riduce l'espressione dei canali if, rallentando la depolarizzazione. 3. Apertura dei Canali del Potassio: L'acetilcolina apre più canali del potassio, causando iperpolarizzazione. Effetto Cronotropo Negativo: L'acetilcolina ha quindi un effetto cronotropo negativo, diminuendo la frequenza cardiaca. Effetti della Stimolazione Vagale sul Nodo Atrioventricolare La stimolazione parasimpatica (tramite il nervo vago) può ridurre il potenziale di membrana nel nodo atrioventricolare, al punto da bloccare la generazione dei potenziali. Frequenza Cardiaca Intrinseca e Regolazione Nervosa Frequenza Cardiaca di Base in Vivo: Circa 75 battiti al minuto, dovuta all'equilibrio tra le attività simpatiche e parasimpatiche. Frequenza Intrinseca del Pacemaker: Circa 100 battiti al minuto, valore che si osserverebbe in assenza di innervazione. Ciò indica che a riposo il parasimpatico esercita un tono inibitorio sulla frequenza. Modulazione della Frequenza: La frequenza cardiaca può essere aumentata inibendo progressivamente il parasimpatico e aumentando l'attività del simpatico; al contrario, la frequenza può essere ridotta inibendo il simpatico e attivando il parasimpatico. Esperimento di Loewi: Dimostrazione della Neurotrasmissione Chimica L'esperimento di Loewi ha dimostrato la neurotrasmissione chimica nella regolazione del battito cardiaco: 1. Due Cuori Isolati: Due cuori espiantati e isolati in contenitori comunicanti. Uno è innervato dal nervo vago, l'altro no. 2. Stimolazione Vagale: Stimolando il nervo vago del primo cuore, la frequenza cardiaca diminuisce. 3. Effetto nel Secondo Cuore: Dopo un po', anche la frequenza del secondo cuore diminuisce, dimostrando il rilascio di una sostanza chimica (acetilcolina) dal primo cuore. 4. Spillover: L'acetilcolina rilasciata si diffonde nel mezzo e va ad agire sul secondo cuore. Ruolo di Adrenalina e Noradrenalina nel Plasma Rilascio dalle Ghiandole Surrenali: Adrenalina e noradrenalina sono rilasciate dalle ghiandole surrenali durante lo stress o l'esercizio. Rilascio dalle Terminazioni Nervose: La noradrenalina è anche rilasciata dalle terminazioni nervose postgangliari. Aumento Durante lo Stress: La concentrazione di adrenalina e noradrenalina nel plasma aumenta in condizioni di stress, attività fisica o cambiamenti posturali. Attività Fisica e Stimolazione Simpatica Aumento Proporzionale: L'attività fisica aumenta l'attività del sistema simpatico in modo proporzionale all'intensità dell'esercizio, aumentando la frequenza cardiaca. Effetto dell'Attività Simpatica nei Cani con Cuore Denervato Esperimento: Confronto tra cani con cuore denervato e cani con cuore intatto. Cani con Cuore Intatto: L'aumento della frequenza cardiaca durante l'esercizio è immediato a causa dell'attivazione simpatica. Cani con Cuore Denervato: L'aumento della frequenza cardiaca durante l'esercizio è meno marcato e avviene più lentamente, perché è mediato dal rilascio di catecolamine dalla midollare del surrene. Trapianto di Cuore: Nei pazienti trapiantati, il cuore non innervato mostra comunque un aumento di frequenza durante l'esercizio, per lo stesso motivo. Conclusione La regolazione del cronotropismo è un processo dinamico che coinvolge l'interazione tra i sistemi nervoso simpatico e parasimpatico, modulando la frequenza cardiaca attraverso l'influenza sui canali ionici delle cellule pacemaker. La comprensione di questi meccanismi è essenziale per capire le risposte del cuore a diverse condizioni fisiologiche. LUSITROPISMO: RILASSAMENTO DEL MIOCARDIO E FUNZIONE CARDIACA In questa lezione, esploriamo il lusitropismo, ovvero la capacità del miocardio di rilassarsi rapidamente, un processo fondamentale per la funzione cardiaca. Importanza del Lusitropismo Riempimento Ventricolare: Un rapido rilassamento del miocardio è essenziale per permettere al ventricolo di riempirsi adeguatamente durante la diastole. Riduzione della Durata del Potenziale d'Azione: Il lusitropismo comporta una riduzione della durata del potenziale d'azione, accelerando la ripolarizzazione e il rilassamento muscolare. Effetti Benefici del Lusitropismo 1. Maggiore Frequenza Cardiaca: La riduzione della durata del potenziale d'azione permette di aumentare il numero di battiti cardiaci al minuto. 2. Migliore Compliance Ventricolare: Il rilassamento più rapido del ventricolo migliora la sua capacità di riempirsi di sangue. Il Ruolo del Sistema Simpatico nel Lusitropismo Il sistema simpatico non solo aumenta la frequenza cardiaca (cronotropismo) ma promuove anche il lusitropismo, ottimizzando la funzione cardiaca durante lo sforzo fisico. Inotropismo: Regolazione della Forza di Contrazione In questa sezione, esaminiamo l'inotropismo, ovvero la regolazione della forza di contrazione del miocardio, distinguendo tra fattori intrinseci ed estrinseci. Contrattilità e Stato Inotropo Contrattilità: La capacità del miocardio di generare forza ad una data lunghezza delle fibre (volume telediastolico). Inotropismo: L'effetto sulla contrattilità, influenzata da fattori che modificano la capacità del miocardio di generare forza. Stato Inotropo: La condizione della fibra miocardica che determina la velocità di produzione della forza. Regolazione Intrinseca vs Estrinseca della Forza di Contrazione Regolazione Intrinseca: Si basa sulla relazione forza-lunghezza e sulla modificazione della lunghezza delle fibre muscolari. Non modifica la contrattilità, ma la forza di contrazione. Regolazione Estrinseca: Modifica direttamente la contrattilità (effetto inotropo), cambiando lo stato inotropo della fibra muscolare. Fattori che Influenzano lo Stato Contrattile del Miocardio  Fattori Inotropi Positivi: Aumentano la contrattilità. Sistema Nervoso Simpatico (noradrenalina). Farmaci e Ormoni. Fattori Inotropi Negativi: Diminuiscono la contrattilità. Sistema Nervoso Parasimpatico (solo a livello atriale). Perdita di Miociti. Depressione Miocardica. Alcuni Farmaci (Beta-bloccanti). Condizioni di Sofferenza (ipercapnia, anemia, acidosi). Effetto Inotropo Positivo e la Velocità di Sviluppo della Pressione Aumento della Forza: L'effetto inotropo positivo determina un aumento della forza sviluppata a parità di volume di riempimento e della velocità con cui la pressione aumenta. dPdT: La velocità di aumento della pressione ventricolare (dP/dt) è un indice di contrattilità. In un cuore normale, a riposo, la pressione aumenta molto rapidamente (fino a 2000 mmHg/secondo) nella fase isovolumetrica. Effetto Combinato di Inotropismo e Lusitropismo In seguito ad una stimolazione simpatica: Effetto Inotropo Positivo: La salita della pressione ventricolare è più rapida. Effetto Lusitropo: La durata della contrazione è ridotta. Esempio dell'Isoprotenerolo L'isoprotenerolo è un agonista che ha un effetto inotropo positivo ancora maggiore sul miocardio. Conclusione Lusitropismo e inotropismo sono due aspetti fondamentali della funzione cardiaca, che permettono al cuore di modulare la sua contrazione e il suo rilassamento in base alle esigenze fisiologiche. La comprensione di questi meccanismi è cruciale per comprendere la dinamica cardiovascolare. AUMENTO DELLA FORZA DI CONTRAZIONE CARDIACA: IL RUOLO DEL CALCIO INTRACELLULARE In questa lezione, approfondiremo come la stimolazione simpatica aumenta la forza di contrazione del miocardio, concentrandoci sul ruolo cruciale del calcio intracellulare. Relazione Forza-Concentrazione di Calcio Muscolo Scheletrico e Cardiaco: La forza di contrazione aumenta in modo ripido con l'aumentare della concentrazione di calcio intracellulare, sia nel muscolo scheletrico che in quello cardiaco. Esiste una concentrazione soglia al di sotto della quale non si ha contrazione. Come l'Aumento della Forza Aumenta il Volume di Eiezione  Muscolo Scheletrico: L'aumento della forza è ottenuto attraverso la sommazione dei transienti di calcio (relazione forza-frequenza), cioè aumentando la frequenza di stimolazione. Muscolo Cardiaco: Nel cuore, non è possibile utilizzare la sommazione dei transienti di calcio a causa del periodo refrattario prolungato. Il sistema nervoso simpatico utilizza meccanismi diversi. Meccanismi di Aumento del Calcio Intracellulare Mediato dal Sistema Simpatico 1. Apertura dei Canali del Calcio: Noradrenalina e Agonisti Beta-Adrenergici: Aumentano l'apertura dei canali del calcio durante la fase di plateau del potenziale d'azione. Risultato: Aumenta l'ingresso di calcio nel citoplasma, il quale stimola il rilascio di calcio dal reticolo sarcoplasmatico. 2. Tecnica del Patch-Clamp: Dimostra che l'adrenalina aumenta sia il numero di aperture dei canali del calcio che l'intensità della corrente di calcio. 3. Attivazione della PKA (Proteina Chinasi A): Recettori Beta-1: Noradrenalina e adrenalina attivano i recettori beta-1, aumentando l'attività della PKA. Fosforilazione dei Canali del Calcio DHPR: La PKA fosforila i canali DHPR, incrementando l'ingresso di calcio. Fosforilazione dei Canali RYR: La PKA fosforila i canali RYR (recettori della rianodina), che rilasciano calcio dal reticolo sarcoplasmatico, aumentandone l'apertura. Fosforilazione del Fosfolambano: La PKA fosforila il fosfolambano, rimuovendone l'effetto inibitorio sulla SERCA, una pompa che riprende il calcio nel reticolo sarcoplasmatico. Fosforilazione della TnI (Troponina I): La PKA fosforila la TnI, inibendone l'attività e favorendo il distacco di actina e miosina, permettendo un rilassamento più veloce. Ciclo di Aumento del Calcio Intracellulare 1. Ingresso di Calcio: Il calcio entra nel citoplasma attraverso i canali DHPR. 2. Rilascio di Calcio: Il calcio stimola il rilascio di calcio dal reticolo sarcoplasmatico attraverso i RYR. 3. Ripompaggio del Calcio: La SERCA (stimolata dalla fosforilazione del fosfolambano) riprende il calcio nel reticolo. 4. Aumento della Riserva di Calcio: Il reticolo sarcoplasmatico accumula più calcio, aumentando la quantità disponibile per il rilascio durante la successiva contrazione. Ruolo della Troponina nel Rilassamento Troponina (Tn): Complesso proteico con tre subunità. TnC: Lega il calcio e permette il legame actina-miosina. TnT: Ancoraggio della troponina alla tropomiosina. TnI (Inibitoria): Inibisce il legame actina-miosina. Fosforilazione della TnI: La fosforilazione della TnI (da parte della PKA) inibisce la sua azione, facilitando il distacco di actina e miosina, e accelerando sia la contrazione che il rilassamento muscolare. Effetto della Contrattilità sulla Relazione Pressione-Volume Ventricolare Aumento della Contrattilità: Non cambia il volume telediastolico (volume di partenza). Aumenta il volume di eiezione a causa dell'aumento della forza di contrazione. La sistole inizia alla stessa lunghezza delle fibre (regolazione omeometrica), ma il volume di eiezione aumenta. Effetto Inotropo Positivo: La curva pressione-volume diventa più ripida. Conclusione L'aumento della concentrazione intracellulare di calcio è il meccanismo chiave attraverso cui il sistema simpatico aumenta la contrattilità miocardica. La noradrenalina e l'adrenalina, agendo attraverso recettori beta-adrenergici e la PKA, modulano i canali del calcio, il reticolo sarcoplasmatico e le proteine contrattili, aumentando sia la forza di contrazione che la velocità di rilasciamento. Questo complesso sistema garantisce un aumento della gittata cardiaca in risposta alle esigenze dell'organismo.