Regolazione del battito cardiaco

Il battito regolare del cuore si ottiene come risultato della ritmicità intrinseca del muscolo cardiaco; non ci sono nervi all’interno del cuore stesso, e non sono necessari meccanismi di regolazione esterni per stimolare il muscolo a contrarsi ritmicamente. Che queste contrazioni ritmiche abbiano origine nel muscolo cardiaco può essere dimostrato osservando lo sviluppo cardiaco nell’embrione (vedi sopra); le pulsazioni cardiache iniziano prima dello sviluppo adeguato delle fibre nervose. Inoltre, si può dimostrare in laboratorio che anche frammenti di muscolo cardiaco in coltura di tessuti continuano a contrarsi ritmicamente. Inoltre, non vi è alcuna gradazione nel grado di contrazione delle fibre muscolari del cuore, come ci si aspetterebbe se fossero principalmente sotto controllo nervoso.

Il semplice possesso di questa capacità intrinseca non è sufficiente, tuttavia, per consentire al cuore di funzionare in modo efficiente. Una funzione adeguata richiede coordinazione, che è mantenuta da un elaborato sistema di conduzione all’interno del cuore che consiste principalmente in due piccole masse specializzate di tessuto, o nodi, da cui hanno origine gli impulsi, e di condotti simili a nervi per la trasmissione degli impulsi, con rami terminali che si estendono alla superficie interna dei ventricoli.

Le contrazioni cardiache ritmiche hanno origine con un impulso elettrico che viaggia dalla parte superiore del cuore negli atri alla parte inferiore del cuore nei ventricoli. L’impulso si propaga come un’onda che viaggia da cellula a cellula. I canali proteici sensibili alla tensione sulla superficie del sarcolemma, la membrana che circonda la fibra muscolare, supportano il flusso di corrente in relazione al flusso di ioni specifici (canali ionici specifici). Questi canali sensibili alla tensione si aprono e si chiudono in funzione della tensione che viene percepita sul lato esterno e sul lato interno (detto “attraverso la membrana” o transmembrana) del sarcolemma, tra i quali esiste una differenza di potenziale elettrico. Un gradiente di potenziale elettrico è creato da un eccesso di ioni negativi immediatamente all’interno del sarcolemma e un uguale eccesso di ioni positivi all’esterno del sarcolemma (uno stadio noto come potenziale di riposo). Quando un impulso nervoso stimola i canali ionici ad aprirsi, gli ioni positivi fluiscono nella cellula e causano la depolarizzazione, che porta alla contrazione della cellula muscolare.

In condizioni di riposo la cellula cardiaca è principalmente permeabile solo agli ioni di potassio caricati positivamente, che lentamente trapelano nella cellula. Nelle cellule specializzate nel pacemaking, che si trovano nel nodo senoatriale, il potenziale negativo di riposo si sposta ritmicamente verso il potenziale di soglia positivo. Quando il potenziale di soglia viene superato, viene innescata la depolarizzazione della cellula e si verifica un’apertura dei canali ionici che trasportano sodio e calcio nella cellula. Questo improvviso aumento del potenziale di membrana cardiaco viene trasmesso da cellula a cellula, creando un’onda di depolarizzazione che rappresenta funzionalmente il segnale di eccitazione del cuore. La propagazione del segnale procede rapidamente lungo il tessuto di conduzione attraverso cellule atriali specializzate, il nodo atrioventricolare e i fasci di cellule di His e Purkinje ed è seguita da una dispersione più lenta del segnale nelle cellule muscolari ventricolari. Il tasso di depolarizzazione spontanea è un importante determinante della frequenza cardiaca.

Entrambi i meccanismi di eccitazione e di propagazione sono sensibili alle alterazioni della concentrazione di ioni nel liquido extracellulare e intracellulare, così come ai farmaci che potrebbero alterare i trasportatori o i canali associati a questi ioni. Dopo l’evento iniziale di depolarizzazione nelle cellule muscolari cardiache, c’è una sequenza di aperture e chiusure di canali specifici che alla fine portano a un ritorno al potenziale transmembrana di riposo. Questa interazione altamente orchestrata di diversi canali sensibili al voltaggio, e i cambiamenti risultanti nella tensione transmembrana, è chiamata potenziale d’azione cardiaco.

L’evento di depolarizzazione nella cellula muscolare cardiaca apre anche un canale del calcio, permettendo al calcio di entrare nel miocardio. Il calcio è un importante effettore dell’accoppiamento tra depolarizzazione cardiaca (eccitazione) e contrazione cardiaca (chiamato “accoppiamento eccitazione-contrazione”). In circostanze normali, la concentrazione di ioni calcio liberi nella cellula muscolare cardiaca è molto bassa. Questa bassa concentrazione è mantenuta dalla presenza di un sistema interno di membrana chiamato reticolo sarcoplasmatico che sequestra gli ioni calcio. All’eccitazione e alla depolarizzazione della cellula, il canale del calcio si apre e ammette una piccola quantità di calcio associata allo spostamento del potenziale di membrana. Questa piccola quantità di calcio stimola il rilascio di ulteriore calcio dai canali sensibili al calcio nel reticolo sarcoplasmatico, facendo aumentare la concentrazione di calcio cellulare di quasi 100 volte. Quando il cuore viene ripolarizzato, il reticolo sarcoplasmatico riassorbe il calcio in eccesso, e la concentrazione di calcio cellulare ritorna al suo livello precedentemente basso, permettendo al muscolo cardiaco di rilassarsi.

Il riassorbimento del calcio cellulare da parte del reticolo sarcoplasmatico è importante perché impedisce lo sviluppo della tensione muscolare. Nello stato di riposo, due proteine, la troponina e la tropomiosina, si legano alle molecole di actina e inibiscono l’interazione tra actina e miosina, bloccando così la contrazione muscolare. Quando la concentrazione di calcio aumenta durante la depolarizzazione, sposta la conformazione della troponina e della tropomiosina, e l’actina è in grado di associarsi alla miosina. Quando il calcio viene ripreso dal reticolo sarcoplasmatico, la cellula miocardica si rilassa. I fattori che controllano l’aumento e la diminuzione delle concentrazioni di calcio nella cellula muscolare cardiaca hanno effetti profondi sulla funzione cardiaca.