Il Cuore: il motore della vita

Il Cuore: il motore della vita
Il cuore è l’organo principale dell’apparato circolatorio. Esso è un
muscolo cavo che si contrae spontaneamente e ritmicamente e
con tali contrazioni, attraverso un sistema di valvole, assicura la
progressione del sangue all’intero organismo e ciò consente di
portare a ciascuna cellula l’ossigeno e le sostanze nutritive di cui
esso ha bisogno.
Esso è formato da 4 camere , 2 superiori, gli atri che accolgono il
sangue di ritorno dalla piccola e grande circolazione e 2 inferiori, i
ventricoli, che re immettono tale sangue in circolo. Ogni atrio,
dopo la nascita, comunica soltanto con il ventricolo omolaterale e diviso da questo tramite una
valvola. Queste permettono al flusso sanguigno di fluire in un unico senso evitando quindi che il
sangue presente nel ventricolo ritorni all’atrio. Queste sono la bicuspide o mitrale (detta così
perché i primi anatomisti che la studiarono associarono la sua forma alla “mitra” il copricapo
cerimoniale papale), che separa atrio e ventricolo sinistro e la tricuspide che separa atrio e
ventricolo destro.
Per capire come tutto questo possa essere il motore della vita però dobbiamo fare alcune
considerazioni preliminari.
Considerazioni generali
Come detto precedentemente il cuore è l’organo principale del sistema cardiovascolare. Questo è
formato oltre che dal cuore anche dai vasi sanguigni all’interno dei quali scorre il sangue. Essi sono
Arterie, vene e capillari. Questo è un sistema chiuso che se visto in astratto può essere considerato
come un insieme di tubi con all’interno un liquido spinto da una pompa. Tale constatazione è
importantissima perché indica che anche qui per capirne il corretto funzionamento alcuni concetti
di fisica generale possono esserci d’aiuto.
La prima domanda che dovremmo porci è “ Perché il sangue scorre?”, la risposta più ovvia è che
esso è spinto dal cuore ma questo è possibile solo perché esso genera una PRESSIONE che dovrà
essere necessariamente maggiore di quella che vi sarà nei siti anatomici più lontani ( Si genera un
gradiente di pressione che fa si che tutto ciò che sta ad una pressione maggiore vada verso una
zona a pressione minore per colmare tale differenza. E’ importante tenere a mente questo
concetto per capire la maggior parte degli eventi fisiologici presenti nell’organismo).
La pressione più elevata si ha nell’aorta e nel ventricolo sinistro mentre la più debole si ha nelle
vene cave prima che esse si svuotino nell’atrio destro.
Altro concetto importante da capire anche se può sembrare banale è che il sangue è un liquido ed
in quanto tale esso è incomprimibile, quindi dato che la pressione è la forza che un liquido genera
sulle pareti del contenitore che lo contiene, se tale liquido non può essere compresso tale
pressione deve necessariamente dipendere da qualche altro fattore, che in questo caso è lo
spessore del lume nel vaso sanguigno. Oltre a questo però, il vaso stesso che contiene il sangue si
oppone al flusso in quanto la parete stessa del vaso offrendo attrito al sangue lo rallenta.
Questa resistenza può essere calcolata secondo la legge di POISEUILLE dove R ovvero la resistenza
al flusso è uguale 1/r4 (dove r è il raggio del vaso), questo significa che il flusso è inversamente
proporzionale alla resistenza quindi ogni qual volta il raggio del vaso all’interno del quale scorre il
sangue raddoppia, la resistenza offerta dallo stesso diminuisce di ben 16 volte. In parole povere
nei vasi grandi il sangue rallenta meno che nei vasi piccoli ma di contro nei vasi piccoli la pressione
esercitata dallo stesso è maggiore.
In realtà questo è vero fino ad un certo punto, perché nel sistema circolatorio la disposizione
stessa dei vasi soprattutto per la regione capillare fa si che la pressione nei capillari sia inferiore
rispetto a quella delle arterie.
Ma perché questo? Bisogna considerare la cosiddetta “ area della sezione trasversa”. Ciò significa
che se ipoteticamente noi prendessimo tutte le arterie e ne calcolassimo l’area e facessimo lo
stesso con i capillari, dato che abbiamo infinitamente più capillari che arterie la loro superficie
effettiva sarà maggiore di quella delle arterie quindi significa che avendo una superficie maggiore
e considerando la legge R=1/r4 la resistenza offerta dai capillari è minore e la pressione sarà più
bassa garantendo al capillare di non danneggiarsi durante gli scambi gassosi e metabolici. Inoltre
essendo il gradiente pressorio del capillare maggiore di quello del sistema venoso questo
garantisce al flusso di tornare al cuore.
Il sistema di conduzione del cuore
Abbiamo visto come gli atri siano situati sopra i ventricoli divisi da essi tramite valvole, ma il
sangue uscente dai ventricoli effettivamente è spinto dal basso verso l’alto verso l’aorta
ascendente da una parte e nell’arteria polmonare dall’altra. Ciò significa che prima devono
contrarsi gli atri dall’ alto verso il basso e poi successivamente i ventricoli dal basso verso l’alto.
Questo è possibile soltanto per via del
fatto che le cellule cardiache sono
accoppiate sia meccanicamente che
elettricamente.
Tutto parte dal Nodo seno atriale (SA)
che per depolarizzazione spontanea
manda il primo impulso alla base del
cuore, questo tramite i tratti internodali
si propaga lungo gli atri facendoli
contrarre fino ad arrivare al nodo atrio
ventricolare (AV). Anche esso ha attività
spontanea, ma se non in presenza di
patologie, dipende dall’attività del nodo
SA. Dall’AV attraverso il fascio di HIS
presente nel setto interventricolare
l’impulso arriva al sistema ventricolare
del purkinje presente all’apice del cuore e da qui il ramo destro del sistema di conduzione farà
contrarre il ventricolo destro ed il sinistro il ventricolo sinistro. In questo modo si avrà una
contrazione opposta Atrio-Ventricolare che spingerà il sangue in maniera ottimale nel sistema
circolatorio. Inoltre il fatto che i tratti distali del sistema di conduzione dipendano da quelli
prossimali fa si che nel passaggio da un tratto all’altro vi sia un ritardo elettrico che in termini
pratici si traduce nel fatto che il ventricolo non si può contrarre se non esclusivamente dopo l’atrio
garantendo quindi che prima che esso si contragga vi sia del sangue al suo interno da eiettare.
Per quanto riguarda la parte meccanica, ricordiamo, che nelle giunzioni delle cellule cardiache
sono presenti i cosiddetti dischi intercalari posti in corrispondenza delle linee Z del sarcomero
cardiaco. Essi nel tratto trasversale fanno si che le membrane dei due miocardiociti si affrontano e
si interdigitano fra loro, rimanendo separate da una fessura di pochi ƞm. Lungo le membrane
affrontate si riscontra la presenza di strutture giunzionali quali: desmosomi e fasce aderenti. La
loro funzione meccanica è ripartire, in modo equilibrato su tutto il miocardio, le forze di tensione
che si sviluppano al momento della contrazione facendo in modo che la tale forza si propaghi nella
cellula adiacente,di cellula in cellula.
Perché il cuore si contrae spontaneamente ?
Parlando del sistema di conduzione del cuore abbiamo introdotto il nodo SA e AV oltre che le fibre
del purkinje. Per semplicità analizziamo soltanto il nodo SA considerando che anche gli altri hanno
comportamento analogo.
Le cellule del nodo SA sono le cosiddette cellule pacemaker, così dette perché capaci di attività
spontanea.
La loro spontaneità consiste nel fatto di essere in grado senza stimoli dipendenti dal Sistema
Nervoso Centrale (SNC) di depolarizzarsi e quindi indurre il miocardio alla contrazione.
Questo è possibile soltanto perché tali cellule hanno un potenziale di membrana instabile che
parte da valori prossimi a -60mV. Ogni qual volta il potenziale di membrana è prossimo a tale
valore si aprono dei canali di membrana particolari gli If che sono permeabili sia al Na+ (sodio) che
al K+ (potassio).
Avviene quindi che a canale aperto il Na+ che entra è maggiore del K+ che esce e ciò rende il
potenziale di membrana più positivo. A valori lievemente più positivi tali canali si chiudono,
permettendo a canali per il Ca2+ di aprirsi con conseguente
ingresso dello stesso. Questo quindi permette al potenziale di
membrana di arrivare al valore soglia e depolarizzarsi. A
questo punto quando questi canali al picco del potenziale
d’azione si chiudono iniziano a riaprirsi i canali del K+ che
ripolarizzano la cellula riportandola a valori negativi (-60mV)
che permetteranno la riapertura dei canali If e via ad un nuovo
ciclo di depolarizzazione.
Il ciclo di depolarizzazioni spontanee del nodo seno atriale è di circa 70 battiti al minuto, quello del
nodo atrio ventricolare di circa 45 battiti al minuto e infine quello del sistema ventricolare del
purkinje di circa 35 battiti al minuto, questo ovviamente solo se non vi fosse una regolazione da
parte del sistema nervoso autonomo e quindi a cuore denervato. E’ importante sottolineare però
che i regolatori più lenti (AV e purkinje) in condizioni non patologiche seguono quello più veloce.
In una condizione patologica nota come BLOCCO CARDIACO COMPLETO la conduzione elettrica
dagli atri ai ventricoli tramite il nodo AV è interrotta quindi avviene che gli atri si contraggono in
condizioni di riposo a 70bmp mentre i ventricoli a 35bpm questo causa quindi una contrazione
troppo lenta dei ventricoli rispetto agli atri per permettere un adeguato flusso sanguigno.
Il ciclo cardiaco
Avendo adesso chiaro il perché il sangue fluisce nel sistema circolatorio e come mai le cellule
cardiache si contraggano dobbiamo capire secondo quale logica meccanicistica avvengono questi
eventi.
Ogni ciclo cardiaco ha 2 fasi: La sistole dove il muscolo si contrae e la diastole, dove il muscolo si
rilassa. Ricordiamoci inoltre per praticità come detto all’inizio di questo articolo che la maggior
parte degli eventi fisiologici seguono la logica dei gradienti ( Da zone ad alta pressione o
concentrazione verso zone a bassa pressione o concentrazione).
La prima fase per convenzione è quel momento in cui gli atri hanno appena ricevuto il sangue
dalle vene, qui ci troviamo in una condizione in cui né gli atri né i ventricoli sono contratti e le
valvole AV sono aperte. Questa è la fase di maggior riempimento ventricolare, dove si ha una
bassa pressione e il sangue fluisce da atrio a ventricolo per gravità.
La seconda fase è caratterizzata dalla sistole atriale che spinge una ulteriore quantità di sangue nel
ventricolo.
Ricordando
l’elettrofisiologia
cardiaca a questo punto l’onda
depolarizzante si trova all’apice del
cuore iniziando quindi la sistole
ventricolare mentre inizia la
diastole atriale.
Iniziata la sistole ventricolare, le
pareti dei ventricoli generano una
pressione dal basso verso l’alto
spingendo il sangue sulla valvola AV
che a questo punto per evitare il
reflusso si chiude (tale chiusura
genera un suono udibile che viene
denominato primo tono cardiaco).
Adesso il ventricolo è completamente isolato. Continua la contrazione e la pressione all’interno del
ventricolo aumenta ma non abbastanza da far aprire le valvole semilunari: in questo istante il
cuore è come se stesse eseguendo una contrazione isometrica, questa fase è chiamata
contrazione ventricolare isovolumetrica ed è possibile soltanto per via del fatto che il sangue è un
liquido e per tal motivo incomprimibile, mantenendo inalterato quindi il volume all’interno della
cavità ventricolare.
Continuando la contrazione ventricolare però, come dicevamo precedentemente, la pressione
aumenta, questo determinerà l’apertura delle valvole semilunari con conseguente eiezione del
sangue nella circolazione.
Terminata la contrazione ventricolare avviene la diastole ventricolare; a questo punto la pressione
nel ventricolo è minore che nei grandi vasi e le valvole semilunari si richiudono generando così il
secondo tono cardiaco.
I ventricoli in questa fase sono di nuovo isolati perché se pur la pressione è scesa non è ancora
abbastanza bassa da far aprire le valvole AV ; questa fase è detta di rilasciamento ventricolare
isovolumetrico. Quando tale rilasciamento provoca un abbassamento della pressione ventricolare
al di sotto di quella atriale le valvole AV si riaprono ed il ciclo ricomincia.
Parametri cardiaci
I più importanti parametri per la valutazione del cuore sono: frequenza cardiaca, gittata sistolica e
gittata cardiaca.
La frequenza cardiaca è il numero di battiti che il cuore effettua in un minuto.
La gittata sistolica è la quantità di sangue che viene pompata dal cuore durante una singola
contrazione ed è determinata dalla differenza di volume tele diastolico (VTD ovvero il volume di
sangue prima della contrazione) e volume telesistolico (VTS ovvero il volume di sangue che rimane
nel ventricolo dopo la contrazione) , mentre la gittata cardiaca è il prodotto di quest’ultima con la
frequenza.
Una contrazione media eietta circa 70ml di sangue (GS data da 135ml di VTD – 65ml di VTS), se
calcoliamo la GC come il prodotto tra GS per frequenza otteniamo che 70 bpm x 70 ml/battito fa
4900ml/minuto. Considerando che il volume di sangue nell’organismo è di circa 5 litri significa che
in condizioni di riposo il cuore di un uomo medio, in un minuto, pompa tutto il sangue presente
nell’organismo.
Questo valore di gittata cardiaca però cambia durante l’esercizio fisico riuscendo ad arrivare
persino a 30/35 l/min !! Una curiosità degna di nota è il fatto che il cuore come tutti gli altri
muscoli riceve perfusione soltanto quando non si sta contraendo (questo perché i vasi vengono
compressi durante la contrazione) questo significa che quando aumenta la frequenza cardiaca
l’equilibrio sistole-diastole si compromette andando in favore della sistole. Se il tempo di diastole
non è sufficiente e il sistema di irrorazione non è abbastanza sviluppato ( vedi adattamenti
all’esercizio) il miocardio non riceve abbastanza ossigeno e nutrienti e può andare in contro ad
infarto miocardico. Questo può essere “prevenuto” o non alzando troppo la frequenza cardiaca e
soprattutto per lunghi periodi di tempo o allenandosi con costanza permettendo al corpo di
adattarsi agli sforzi.
Altri parametri che influenzano la funzionalità cardiaca sono il precarico ed il postcarico che come
vedremo successivamente saranno i maggiori responsabili degli adattamenti cardiaci all’esercizio
fisico.
Il precarico è l'entità di riempimento ventricolare, quindi il volume telediastolico. L'aumento del
volume telediastolico comporterà maggiore lunghezza delle fibre ventricolari la quale le rende più
sensibili al Ca2+(per via delle proprietà meccano-elettriche), per cui si svilupperà una maggior
contrattilità (legge di Starling). Il postcarico è la pressione che deve vincere il cuore dato da VTD e
resistenze periferiche e può variare ad esempio se vi è una vasocostrizione periferica. L'aumento
di vasocostrizione periferica fa sì che nel compartimento arterioso vi sia maggior volume di
sangue, il quale a sua volta genera un aumento di pressione arteriosa.
Poichè la contrattilità del cuore si trova a dover affrontare un postcarico maggiore (maggior
pressione arteriosa), essa non riuscirà ad espellere una quantità di sangue pari alla gittata sistolica
precedente alla variazione di postcarico (variazione dovuta alla vasocostrizione). Per cui nel
ventricolo, alla fine della sistole, vi sarà un volume telesistolico maggiore (dato che è stato espulso
meno sangue), il quale, sommato al volume di riempimento ventricolare che seguirà, si tradurrà in
un maggior volume telediastolico (maggior precarico).
Per la legge di Starling ciò comporterà un aumento di contrattilità in modo da poter garantire una
stessa gittata sistolica, pari a quella che vi era prima della variazione di postcarico. Una variazione
di postcarico, quindi, genera una variazione di precarico.
Ma il postcarico influenza più lentamente la funzionalità cardiaca rispetto al precarico perchè esso
va ad agire sempre variando il precarico, e ciò richiede tempo. Mentre la variazione di precarico
modifica direttamente la contrattilità miocardica!
Adattamenti cardiaci indotti da esercizio fisico
Gli adattamenti anatomici che il sistema
cardiovascolare può subire possono essere o di tipo
specifico in relazione all’attività sportiva praticata o
generici a prescindere da essa.
Gli adattamenti generici più comuni includono
angiogenesi ovvero la produzione di nuovi vasi
sanguigni a partire da quelli già esistenti per
consentire ai muscoli di avere una maggiore
perfusione e quindi un miglior apporto di ossigeno e
sostanze nutritive, aumento della mioglobina presente nel muscolo, l’aumento dell’emoglobina
nel sangue e miglioramento dell’efficienza respiratoria.
Tutti gli adattamenti del cuore sono finalizzati ad accogliere e pompare fuori dai ventricoli una
quantità di sangue nettamente superiore a quella di un soggetto non allenato; il cuore riesce così
ad aumentare notevolmente la GC sotto sforzo soddisfando le maggiori richieste d'O2 da parte dei
muscoli. Le modificazioni principali sono:
L'aumento di volume del cuore;
La riduzione della frequenza cardiaca (bradicardia) a riposo e sotto sforzo a parità di intensità.
L'ingrandimento del volume del cuore è il fenomeno più importante ai fini dell'aumento della GS e
della GC.
Gli adattamenti specifici vanno invece ricercati in base al tipo di sport praticato.
Possiamo a questo punto classificarli in base a sport di potenza o sport di resistenza.
L’allenamento di potenza causerà una ipertrofia di tipo concentrico al cuore, questo significa che
aumenteranno in dimensione le pareti cardiache e si rimpiccioliranno le camere. Questo
meccanismo avviene per l’aumento del postcarico dato da aumento delle resistenze periferiche.
Come abbiamo detto in precedenza una contrazione muscolare occlude i vasi contenuti nel
muscolo. Ora immaginiamo un qualsiasi sport di potenza dove le contrazioni muscolari avvengono
sempre in maniera vigorosa con repentino aumento della frequenza cardiaca, non è difficile capire
come la pressione a livello periferico aumenti rendendo quindi più difficoltoso per il cuore
spingere il sangue lungo la circolazione. Così come un body builder che per aumentare la sua
massa muscolare aumenta i carichi che solleva, il cuore trovandosi di fronte un carico maggiore è
costretto ad aumentare la sua massa muscolare, rendendo però di contro, minore lo spazio al suo
interno.
Per gli sport di resistenza avviene esattamente l’opposto : Esso sviluppa una ipertrofia eccentrica
ovvero un aumento delle cavità interne senza aumento dello spessore delle sue pareti.
Questo avviene per l’aumento del precarico quindi per un maggior afflusso di sangue all’atrio.
Negli sport di resistenza, le resistenze periferiche crollano e l’azione muscolare ciclica tipica di
queste attività spinge una quantità maggiore di sangue nel distretto venoso che poi si svuoterà nel
cuore. Oltre a ciò essendo la pressione intratorica negativa questa determina sul cuore una forza
di risucchio dall’atrio al ventricolo (dato appunto il cuore si trovi nella cavità toracica).
Quest’ultimo passaggio non avviene negli sport di potenza per via delle ripetute manovre di
valsalva che determinano atti respiratori meno frequenti. Questo tipo di ipertrofia (eccentrica)
inoltre permette al cuore di conservare alcune proprietà come ad esempio la compliance
(elasticità) che quindi permetterà durante la prestazione di espellere una quantità maggiore di
sangue. L'allenamento inoltre provoca importanti modificazioni a carico del sistema nervoso
autonomo del cuore, caratterizzate da una riduzione del tono simpatico (adrenergico) con
prevalenza del tono vagale (dal nervo vago dove scorrono le fibre che raggiungono il cuore) questo
fenomeno è chiamato "ipertono vagale relativo". La conseguenza più evidente di questa nuova
regolazione del sistema nervoso autonomo del cuore è la riduzione della frequenza cardiaca a
riposo. In un soggetto sedentario, anche dopo poche settimane d'allenamento, è possibile
osservare una riduzione della FC di 8 - 10 bpm. A grandi livelli di agonismo è possibile raggiungere
i 35 - 40 bpm, valori che configurano la classica bradicardia dell'atleta.
Conclusioni
Il cuore, come constatiamo giorno dopo giorno, non fa altro che battere nel nostro petto, ma
dietro a quella semplice azione vi sono infiniti meccanismi ed adattamenti in base a ciò che sono le
nostre azioni quotidiane.
Potrebbe sembrare che questa complessità lo renda indistruttibile ma così non è, anzi è di
notevole fragilità e sta a noi e alle nostre abitudini, sia di vita che alimentari, far si che esso
continui a battere e tenerci in vita ed in salute.
Dott. Ewan Thomas