Il sistema circolatorio e i vasi

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1 Il sistema circolatorio e i vasi Il sistema circolatorio Il sistema circolatorio umano è suddiviso in due circolazioni: la circolazione polmonare e la circolazione sistemica. La circolazione polmonare inizia nel ventricolo destro. Il sangue povero di ossigeno entra nelle arterie polmonari che diventano arteriole polmonari e raggiunge i polmoni nei capillari polmonari. A livello alveolare, attraverso i capillari polmonari, avviene lo scambio di gas. L anidride carbonica viene ceduta agli alveoli e poi eliminata con l espirazione, mentre l ossigeno entra nei capillari polmonari e si lega all emoglobina presente nei globuli rossi. I capillari polmonari diventano venule e poi vene polmonari che riportano il sangue ricco di ossigeno all atrio sinistro dove termina la circo lazione polmonare. 1

2 La circolazione sanguigna è quindi in relazione con l apparato respiratorio in quanto l ossigeno consumato dalle cellule durante i processi metabolici deve essere acquisito dall aria esterna che ne è molto ricca, mentre l anidride carbonica prodotta dalle cellule durante i medesimi processi metabolici deve essere eliminata dal corpo. Il sangue trasporta l ossigeno legato all emoglobina (98,5% di tutto l ossigeno trasportato) o disciolto nel sangue (1,5% di tutto l ossigeno trasportato). L ossigeno diffonde nelle cellule attraverso la parete dei capillari e diffonde nel sangue attraverso la parete degli alveoli e dei capillari grazie al meccanismo della diffusione, trasporto passivo che non impiega energia e basato sulla differenza di concentrazione dell ossigeno ai due lati della membrana cellulare. Negli alveoli vi è maggiore concentrazione di ossigeno che nei capillari polmonari. Nei capillari sistemici 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 tutta l anidride carbonica trasportata), ma in larga misura sotto forma di acido carbonico a seguito della reazione chimica fra l anidride carbonica e l acqua catalizzata dall enzima carbanidrasi (circa il 70% di tutta l anidride carbonica trasportata). Anche in questo caso il passaggio di anidride carbonica dalle cellule al sangue e dal sangue agli alveoli avviene per diffusione. In questo caso la concentrazione di anidride carbonica nelle cellule e superiore a quella nei capillari sistemici e quella nei capillari polmonari è superiore a quella negli alveoli. L apparato respiratorio, come abbiamo già visto, è corresponsabile della regolazione del valore di ph del sangue. La circolazione sistemica inizia nel ventricolo sinistro. Il sangue entra nell aorta e può poi seguire quattro strade: tramite le arterie carotidi può salire nella testa, tramite le arterie brachiali può giungere nelle braccia, tramite le arterie coronarie può irrorare il cuore e tramite l aorta stessa può andare in tutta la parte inferiore del corpo. Le arterie diventano arteriole e poi capillari sistemici attraverso i quali avvengono gli scambi di gas e nutrimenti. capillari sistemici diventano venule, quindi vene e per finire vene cave (inferiore e superiore) che riportano il sangue all atrio de- 2

3 stro. La circolazione sanguigna è in relazione con l apparato urinario. Gli scarti dei processi metabolici devono essere eliminati dal sangue e questo avviene grazie all apparato urinario. Il sangue giunge ai reni 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, glucosio, ioni calcio se necessario, eccetera). Al termine del processo, tutto quanto non è stato riassorbito viene eliminato come urina. I reni sono corresponsabili, come vedremo più avanti, della regolazione del valore di ph del sangue. Il sangue Il sangue è un liquido rosso costituito per il 55% da plasma e per il 45% da cellule. Il plasma e un liquido di colore giallo paglierino costituito per il 90% da acqua e per il rimanente 10% da proteine e Sali minerali. plasma ha un ph di circa 7,38-7,42 che deve rimanere stabile. Anche la quantità di ioni calcio e di glucosio deve essere stabile. La calcemia (quantità di ioni calcio) deve essere compresa fra 9,4 mg/dl e 10,5 mg/dl). Se scende al di sotto del valore minimo l organismo reagirà per aumentarla, liberando calcio dalle ossa, aumentando il riassorbimento renale di calcio e aumentando l assorbimento intestinale di calcio. Se invece la calcemia sale al di sopra del valore massimo l organismo reagirà per diminuirla, depositando calcio nelle ossa, diminuendo il riassorbimento renale di calcio e diminuendo l assorbimento intestinale di calcio. Nel primo caso sarà l ormone calcitonina prodotto dalla tiroide a intervenire, nel secondo caso sarà l ormone paratiroideo prodotto dalle paratiroidi a intervenire. 3

4 Un altro parametro importante è la glicemia (quantità di glucosio). Se la glicemia diventa troppo alta, interviene l insulina (prodotta dal pancreas) che stimola la produzione di glicogeno da parte del fegato e stimola il metabolismo delle cellule che consumano glucosio. Se la glicemia si abbassa, interviene 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 da un unica cellula madre. Le cellule principali (circa 5 milioni al mm 3) sono i globuli rossi che non hanno 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 mm 3) che hanno funzioni immunitarie. Nel sangue circolano anche le piastrine che sono resti di cellule frantumate (circa al mm3) e che hanno funzioni di riparazione in caso di ferite (entrano nel complesso dei processi che portano all arresto della perdita di sangue e alla formazione della crosta quando ci si ferisce). Il ciclo cardiaco Il ciclo cardiaco può essere definito come l insieme di eventi che compongono la contrazione del miocardio e l espulsione di sangue dai ventricoli verso la piccola e la grande circolazione. Il ciclo cardiaco dura circa 0,8s e si compone di 3 fasi di durata diversa. La prima di queste fasi che dura circa metà del tempo del ciclo è una fase di totale rilassamento del miocardio. Sia gli atri (le due camere superiori che ricevono il sangue in arrivo dal corpo e dai polmoni) che i ventricoli (le due camere inferiore che spingono il sangue verso i polmoni e verso il corpo) sono rilassati (in diastole) e le valvole che li separano (mitrale o bicuspide a sinistra e tricuspide a destra) sono aperte. Il sangue proveniente dalle due vene cave (superiore e inferiore) entra nell atrio destro e cade nel ventricolo destro. Il sangue proveniente dalle vene polmonari entra nell atrio sinistro e cade nel ventricolo sinistro. Terminata questa fase, avviene la contrazione (o sistole) atriale. I due atri si contraggono e spingono il sangue ancora contenuto nei due ventricoli che si riempiono al massimo. Questa fase dura circa 0,1s. Di seguito avviene la fase di contrazione (o sistole) ventricolare nella quale i ventricoli si contraggono. Sotto l effetto dell aumento di pressione all interno dei ventricoli, le valvole bicuspide a sinistra e tricuspide a destra, 7 che separano atri e ventricoli, si chiudono, mentre le valvole semilunari che separano il ventricolo destro dalle arterie polmonari e il ventricolo sinistro dell aorta si aprono. Il sangue viene espulso con forza nelle arterie polmonari e nell aorta. Nello stesso 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 ventricolare porta 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 semilunari. 4

5 Ciclo cardiaco Attività elettrica del cuore Per gestire questo ciclo, il cuore è dotato di alcune cellule particolari in grado di generare un impulso 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 fibre. Altre fibre attraversano la muscolatura da un atrio all altro, lungo il setto e risalgono la parete ventricolare. il primo punto si trova nell atrio destro poco sotto l entrata della vena cava superiore e si chiama nodo seno atriale. Questo nodo è il pace-maker naturale del cuore e ogni 0,8s circa emette un impulso che attraversa gli atri e li spinge a contrarsi. L impulso giunge al secondo punto, il nodo atrio ventricolare che si trova poco sopra l inizio del setto. Questo nodo rallenta l impulso e lo trasmette al setto e ai ventricoli con un ritardo di 0,1s. Il setto è attraversato dal fascio di His e le pareti ventricolari dalle fibre di Purkinje, le quali risalendo verso l alto permettono una contrazione dal basso verso l alto. 5

6 L elettrocardiogramma L 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 e sulle caviglie. In base ai punti in cui viene applicato si ottengono curve leggermente diverse che permettono 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 la depolarizzazione dei ventricoli e la ripolarizzazione degli atri e l onda T rappresenta la ripolarizzazione dei ventricoli. Punti di derivazione per l ECG. Questa immagine mostra i punti nei quali sistemare gli elettrodi per effettuare l ECG. 6

7 Arterie, capillari e vene Introduzione Il sangue, negli esseri umani e nei vertebrati, circola in vasi sanguigni chiusi e compie una serie di giri 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 e organi), i vasi sanguigni si rimpiccioliscono sia nel diametro del lume che nello spessore delle pareti fino a raggiungere le dimensioni più piccole in periferia, per poi ingrandirsi nuovamente nel ritorno al cuore. Dal cuore partono quindi le arterie (aorta, la più grande arteria del corpo e arterie polmonari) che confluiscono in arterie sempre più piccole fino a giungere ai capillari (in periferia) estremamente sottili (come un capello appunto) per poi convergere in vene sempre più grandi ﬁno alle vene cave superiore e inferiore che sono le vene più grandi. Arterie Le dimensioni delle arterie si riducono man mano che si allontanano dal cuore. A minimo delle dimensioni, le arterie diventano capillari. Come si può osservare dall immagine l arteria è costituita, partendo dall interno, da un endotelio monostratificato. Intorno all endotelio troviamo la muscolatura liscia involontaria che permette la contrazione dell arteria per spingere il sangue e delle fibre elastiche che permettono all arteria di mantenere la sua forma. Un terzo strato spesso di fibre robuste non elastiche serve a dare protezione all arteria. lume dell arteria è relativamente ridotto di diametro in rapporto allo spessore della parete. L arteria deve resistere alla pressione del sangue che scorre al suo interno. In particolare, l aorta che riceve il sangue in uscita dal cuore e quindi con la massima pressione, è molto spessa. I capillari 7

8 Come si può osservare i capillari sono costituiti da un endotelio monostratificato che può essere continuo (quindi senza spazi 0 fori) e ricoperto da lamina basale continua. Questi capillari si trovano nei muscoli, nel tessuto nervoso e nel tessuto connettivo. In alcuni casi, come nel midollo osseo o 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 invece dei capillari nei quali l endotelio presenta vistose lacune e la lamina basale è assente o molto discontinua. Questo permette ampi scambi tra capillare e cellule epatiche. Il diametro dei capillari è molto sottile, inferiore alle dimensioni dei globuli rossi che devono passare al suo interno lentamente. Questo favorisce lo scambio di gas e nutrimenti con le cellule. Il capillare collega la parte terminale di un arteria con la parte distale di una vena. Le vene Le pareti delle vene sono molto più sottili di quelle delle arterie in quanto non serve che siano tanto spesse perché il sangue che scorre nelle vene ha una pressione minore. 8

9 Come si può osservare, le vene sono costituite da un endotelio monostratificato, circondato da elastina e fibre muscolari più sottili di quelle delle arterie. A completare la parete delle vene vi è, come nelle arterie, uno strato di fibre non elastiche. La parete delle vene non è spessa come quella delle arterie 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 valvole che 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 addominale, sono le differenze di pressione causate da inspirazione ed espirazione, ad aiutare il ritorno venoso. A complemento di quanto visto abbiamo un immagine conclusiva che riprende i tre tipi di vasi sanguigni: 9

10 La capacità cardiaca, la pressione arteriosa, lo scambio di gas e l attività muscolare La capacità cardiaca La capacità cardiaca, detta anche Gittata Cardiaca, viene definita come la quantità di sangue che i ventricoli espellono in un minuto. Matematicamente è data dal prodotto fra la gittata sistolica e la frequenza cardiaca: GC=GS FC La gittata sistolica equivale al volume di sangue che ogni ventricolo espelle a ogni battito cardiaco mentre la frequenza cardiaca equivale al numero di battiti al minuto. Poiché ogni ciclo cardiaco, a riposo, 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 (volume di minimo riempimento del ventricolo, alla fine della sistole ventricolare, subito prima della diastole ventricolare) e il volume tele diastolico (volume di massimo riempimento del ventricolo, alla fine della diastole ventricolare, subito prima della sistole ventricolare). Sottraendo il volume tele sistolico al volume tele diastolico si ottiene la gittata sistolica che nell uomo adulto a riposo equivale a 70 ml (120 ml 50 mi). Quindi nell uomo adulto a riposo, la gittata cardiaca e pari a: GC=70 ml battiti ml 75 =5250 battito min minuto In pratica poco più di 5 litri al minuto che è poi il contenuto di sangue del corpo umano. A riposo quindi 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 cardiaca. Se il ritorno venoso aumenta (quando ci sdraiamo, ad esempio), l afflusso all atrio destro aumenta e quindi le fibre muscolari si tendono e la contrazione del ventricolo aumenta in modo da espellere 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 diminuisce e quindi le fibre muscolari si rilassano e la contrazione del ventricolo diminuisce in modo da espellere la stessa quantità di sangue che è entrata. Oltre a questo aspetto ne vediamo in dettaglio altri tre. La pressione arteriosa Quando il ventricolo sinistro si contrae (sistole ventricolare), il sangue entra nell aorta con una determinata forza che dipende dalla contrazione del ventricolo. Il sangue è un fluido che colpisce l aorta su una determinata superficie causando una pressione che dipende anche dalla resistenza che l aorta esercita al passaggio del fluido e quindi dalla viscosità del fluido. 10

11 Una pressione normale ( mmhg in un uomo adulto in base alla corporatura), implica un flusso regolare di sangue e una gittata cardiaca normale. L ipotensione arteriosa comporta un aumento della gittata sistolica in quanto l aorta fa minore resistenza e il cuore può svuotarsi maggiormente. L ipertensione arteriosa comporta una maggiore resistenza dell aorta e il cuore si svuota di meno. La gittata sistolica diminuisce. La pressione arteriosa si misura generalmente al braccio stringendo l arteria brachiale in un manicotto gonfiato di aria. Quando la pressione nel manicotto è superiore alla pressione arteriosa il flusso di sangue attraverso l arteria brachiale viene interrotto. L operatore non sente alcun rumore nello stetoscopio. Diminuendo la pressione nel manicotto, l arteria si apre poco alla volta. Quando la pressione 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 la pressione indicata. Quella è la pressione sistolica. Continuando a diminuire la pressione nel manicotto si permette al sangue di scorre meglio. Quando la pressione nel manicotto è pari a quella diastolica, il sangue scorre linearmente e i battiti si interrompono. L operatore legge la pressione indicata. Visualizzazione della misurazione della pressione. Lo scambio dei gas Lo scambio di gas avviene a livello alveolare e cellulare. Negli alveoli, l aria inspirata proveniente dall esterno contiene una maggiore quantità di ossigeno rispetto ai globuli rossi e una quantità minore di anidride carbonica. In presenza di un elevata quantità di ossigeno, l emoglobina si lega a questo gas. L ossigeno quindi, per diffusione, supera l endotelio alveolare e capillare e raggiunge i globuli rossi dove si lega all emoglobina. L anidride carbonica lascia il plasma e compie il cammino inverso sempre per diffusione. L aria espulsa dai polmoni risulta più ricca di anidride carbonica e più 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 differenza di pressione spinge l ossigeno ad entrare nel sangue dove si lega all emoglobina. Il sangue arterioso che esce dai polmoni ha una PO 2 di 100 mmhg, mentre l'aria che viene espirata ha una PO 2 di 40 mmhg. Quando il sangue arriva alle cellule, la PO 2 intracellulare è di 40 mmhg, quindi l ossige- 11

12 no entra nelle cellule fino a riportare il valore intracellulare a 100 mmhg. il sangue venoso che riparte 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 PCO 2 è di 46 mmhg e, nel sangue arterioso che giunge alle cellule è di 40 mmhg. L anidride carbonica lascia le cellule ed entra nel sangue. Le cellule si trovano con una PCO 2 di 40 mmhg, mentre il sangue venoso ha una PCO2 di 46 mmhg. Arrivati ai polmoni dove la PCO 2 alveolare è di 40 mmhg, avviene uno scambio che permette di portare la PCO 2 del sangue arterioso al valore di 40 mmhg mentre l aria espirata avrà una PCO2 di 46 mmhg Come potete vedere, durante la respirazione sottraiamo all aria circa il 4% di ossigeno e aggiungiamo il 4% di anidride carbonica. L attività muscolare L attività muscolare richiede parecchia energia. Le fonti energetiche dei muscoli sono sostanzialmente 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 primo imput di energia mentre la macchina metabolica inizia a funzionare. La respirazione cellulare che utilizza glucosio derivato dalle riserve di glicogeno del fegato e dalla trasformazione 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 di energia per raggiungere un determinato obiettivo. Al termine dello sforzo occorre ripristinare le riserve di fosfocreatina e l organismo deve eliminare l acido lattico derivato dalla glicolisi anaerobica. Durante lo sforzo muscolare, il cuore deve pompare molto più sangue al minuto. La FC aumenta (in una persona non allenata passa da 75 battiti al minuto fino a battiti al minuto, mentre in una persona allenata passa da battiti al minuto fino a battiti al minuto). La GS aumenta anch essa. Anche in questo caso, nella persona non allenata la gittata aumenta da 70 ml fino a 80 ml, mentre in una persona allenata può raggiungere anche i ml. Per favorire maggiormente i muscoli, i distretti che non abbisognano di sangue vengono parzialmente isolati, così il tratto digestivo riceve il minimo di sangue indispensabile, mentre i muscoli, la pelle (che deve smaltire il calore prodotto durante l attività fisica) ricevono più sangue. Il cervello riceve sempre la stessa quantità di sangue. 12

13 Vediamo ora la differenza fra un afflusso con GC a riposo (5 litri di sangue al minuto) e sotto sforzo intenso (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 esercizio intenso (GC = 25 l/min). Si noti che alcuni organi ricevono quasi la stessa quantità di sangue (cervello, ossa), altri una quantità maggiore (muscoli, cuore, cute) e altre una quantità minore (rene, fegato e intestino) 13