Omeostasi e Sistema Cardiovascolare

Omeostasi

Gli organismi hanno due esigenze fondamentali: acquisire nutrienti ed eliminare sostanze di scarto. Quando le dimensioni dell'organismo aumentano, questi processi diventano più complessi: meno cellule sono a contatto con l'esterno e protette da un ambiente mutevole.

Diventa quindi fondamentale la regolazione dell'ambiente interno, dal quale dipende la funzionalità delle biomolecole. Mantenere questo equilibrio interno è essenziale. Il liquido interstiziale (liquido composto principalmente di acqua che riempie gli spazi tra le cellule e contiene nutrienti e prodotti di scarto) funge da tramite tra le cellule dei tessuti e il sangue.

Le condizioni chimico-fisiche del liquido interstiziale devono essere mantenute costanti. Questo processo di mantenimento dell'equilibrio interno è detto omeostasi: la capacità dell'organismo di mantenere stabile l'ambiente interno nonostante le variazioni esterne e l'attività delle cellule.

Molti parametri entrano in gioco quando si parla di omeostasi: temperatura, pH, equilibrio idrosalino, apporto di nutrienti ed eliminazione di scarti, concentrazione di gas nel sangue.

La variazione di questi parametri è dannosa per le cellule e per l'intero organismo.

Cellule e Comunicazione per l'Omeostasi

Per mantenere l'equilibrio, i parametri fisiologici devono avere un set point: un valore di riferimento o un intervallo di normalità al quale tornare dopo una perturbazione.

I valori di riferimento sono sempre confrontati con quelli reali grazie a sistemi interattivi:

• Recettori: sensori che misurano costantemente i valori effettivi.
• Centro di regolazione: riceve informazioni dai recettori e confronta il valore recepito con quello di riferimento, stabilendo quale risposta dare per ristabilire i valori corretti.
• Effettori: mettono in pratica quanto stabilito dal centro di regolazione.

L'omeostasi si attua attraverso molecole segnale (recettori ed effettori sono cellule, organi e apparati; i centri di regolazione sono ghiandole endocrine o centri del sistema nervoso). Queste molecole specifiche interagiscono con le cellule bersaglio che le riconoscono e determinano una variazione dell'attività metabolica.

Se recettori/effettori e centro di regolazione sono vicini, le molecole segnale vengono scambiate per contatto diretto o per diffusione (attraverso il liquido interstiziale).

Se sono distanti, la comunicazione avviene tramite ormoni nel sangue.

Come Funziona l'Omeostasi

Come fanno recettori, effettori e centri di regolazione a mantenere stabile un parametro?

• Feedback negativo: i sensori recepiscono un cambiamento interno e innescano una risposta che lo contrasta, per riportare il parametro al valore originale.
• Feedback positivo: la variazione di un parametro provoca un aumento/accelerazione del cambiamento. Questi meccanismi fanno parte di sistemi di feedback negativi che, dopo una breve fase, riportano la variabile entro l'intervallo previsto, perché altrimenti diventerebbero molto instabili.

Termoregolazione

Gli esseri umani sono endotermi e hanno una temperatura corporea intorno ai 37°C.

La temperatura esterna presenta oscillazioni molto ampie che il corpo deve contrastare per impedire danni e malfunzionamenti. Le stesse strategie messe in atto per contrastare i cambiamenti esterni vengono usate anche per gli ambienti interni.

Per quanto riguarda gli scambi con l'esterno, la temperatura interna viene regolata controllando l'afflusso di sangue, l'elaborazione dei liquidi (sudore), il tremore, oltre che alcune strategie comportamentali.

Questi meccanismi sono controllati dall'ipotalamo, che registra le informazioni dei recettori e stabilisce le risposte. L'ipotalamo può modificare la temperatura anche se non c'è uno stato di malessere (es. la temperatura notturna diminuisce perché il metabolismo cellulare è al minimo).

Cellule Staminali

Lo sviluppo inizia con la fecondazione e la formazione dello zigote, che si divide per mitosi dando origine a cellule con funzioni diverse che si riuniscono in tessuti.

Il differenziamento (acquisizione delle caratteristiche morfologiche e biochimiche che permettono alla cellula di svolgere la propria determinata funzione) prosegue grazie alle cellule staminali, cellule indifferenziate che, rispondendo a specifiche cellule segnale, generano, dividendosi per mitosi, altre cellule staminali e cellule specializzate.

Lo zigote è una cellula staminale totipotente (può generare ogni tipo di cellula).

Quando si formano i tre foglietti embrionali, le cellule sono pluripotenti (possono generare alcuni tessuti).

Nei tessuti ci sono cellule multipotenti (generano più cellule appartenenti a uno stesso tessuto) e unipotenti (generano un solo tipo di cellula).

Alterazione della Velocità di Rigenerazione

Ormoni o fattori di crescita regolano la velocità di rigenerazione di un tessuto. Alcuni tessuti si rigenerano per tutta la vita, altri non vengono mai sostituiti e quindi sono più resistenti e longevi; se si danneggiano, sono sostituiti da altri con funzione diversa e quindi inefficace.

Ma non sempre le cellule staminali rispondono correttamente: a volte proliferano eccessivamente causando un'ipertrofia del tessuto, altre volte proliferano senza rispondere ai segnali generando un tumore:

• Benigno: massa confinata in un tessuto, lo danneggia solo se diventa tanto grande da comprimere l'organo.
• Maligno: massa di cellule dalla forma anomala che non svolge funzioni utili ed è invasiva perché sottrae spazio e nutrimento alle cellule sane. Non risponde ai segnali, si distacca e migra (metastasi).

Morte Cellulare

L'equilibrio tra cellule staminali e cellule specializzate garantisce la stabilità nei tessuti, ma non è considerato omeostasi perché le cellule invecchiano e muoiono.

Invecchiando, si riduce la velocità rigenerativa dei tessuti, le cellule specializzate riducono la velocità di sintesi proteica e del metabolismo, e le cellule muoiono.

La morte cellulare può essere di due tipi:

• Apoptosi: morte programmata derivata da cause interne, indotta da cellule segnale per eliminare cellule danneggiate o che potrebbero diventare cancerogene.
• Necrosi: evento accidentale, dovuto a diverse cause, a cui la cellula non è in grado di rispondere. Interessa più cellule vicine che perdono la capacità di controllare l'equilibrio idrosalino, si gonfiano ed esplodono, riversando il contenuto all'esterno.

La Circolazione e la Respirazione

Cos'è e a Cosa Serve il Sistema Circolatorio?

Con lo sviluppo, aumentano le dimensioni dell'organismo e diminuiscono le cellule a contatto con l'esterno. Si rendono quindi necessari sistemi di trasporto di sostanze e gas e di eliminazione degli scarti: il sistema circolatorio, con funzioni di trasporto, regolazione della temperatura corporea e protezione.

1. Trasporto: il sistema circolatorio trasporta nel flusso sanguigno ossigeno, sostanze nutritive, scarti metabolici, ioni e ormoni che vengono distribuiti a tutto il corpo. I vasi sanguigni trasportano ossigeno dai polmoni ai tessuti per produrre energia con la respirazione cellulare. Il sangue che proviene dai polmoni è ricco di ossigeno (ossigenato). Il sangue che contiene CO₂ e scarti metabolici è povero di ossigeno (deossigenato). A fine digestione, le sostanze nutritive sono trasportate in tutto il corpo. Il sistema circolatorio trasporta gli ormoni alle cellule bersaglio.
2. Termoregolazione: attraverso vasodilatazione e vasocostrizione, il sistema circolatorio può assorbire e rilasciare calore per mantenere la temperatura corporea ottimale per il metabolismo.
3. Difesa: cellule e sostanze del sangue (globuli bianchi, piastrine) difendono dalle infezioni.

Gli animali si dividono in base al tipo di sistema circolatorio:

• Sistema circolatorio aperto: non c'è distinzione tra liquido circolante e liquido interstiziale.
• Sistema circolatorio chiuso: il sangue è pompato nelle arterie che lo trasportano ai tessuti mediante i capillari e poi di nuovo al cuore attraverso le vene.

Funzionamento del Sistema Circolatorio

Il funzionamento del sistema circolatorio è garantito dal cuore, organo muscolare diviso in:

• Due atri: camere superiori in cui si raccoglie il sangue in ingresso.
• Due ventricoli: cavità inferiori in cui si accumula il sangue da espellere.

La parte destra e sinistra del cuore sono divise da un setto fibroso, mentre atrio e ventricolo comunicano grazie alle valvole atrioventricolari: tricuspide (destra) e bicuspide o mitrale (sinistra).

Il passaggio tra ventricoli e arterie avviene attraverso le valvole semilunari polmonare e aortica.

Queste valvole si aprono solo nella direzione del flusso (no reflussi), garantendo un flusso unidirezionale.

Il sangue dei ventricoli viene pompato nelle arterie che lo trasportano nei tessuti grazie ai capillari. I capillari permettono la diffusione di molecole tra sangue e fluido interstiziale. Poi il sangue torna al cuore attraverso le vene.

Il cuore pompa il sangue al corpo con una circolazione doppia:

• Circolazione polmonare: spinge il sangue nei polmoni per ossigenarlo.
• Circolazione sistemica: spinge il sangue nel corpo, trasportando ossigeno e nutrienti ai tessuti.

Fasi della Circolazione

1. Il sangue povero di ossigeno entra nell'atrio destro dalla vena cava inferiore e superiore.
2. Il sangue passa dall'atrio destro al ventricolo destro.
3. Il sangue viene pompato dal ventricolo destro all'arteria polmonare (divisa per polmone destro e sinistro).
4. Nei polmoni, il sangue rilascia CO₂ e assorbe O₂.
5. Il sangue ricco di ossigeno torna al cuore, raggiungendo l'atrio sinistro dalle vene polmonari destra e sinistra.
6. Il sangue passa dall'atrio sinistro al ventricolo sinistro.
7. Il sangue viene pompato dal cuore nell'arteria aorta.
8. Il sangue torna nelle vene e ricomincia il ciclo.

Struttura del Cuore

Il cuore è un organo di forma appuntita posto al centro della cavità toracica ed è protetto da sterno e coste.

La sua parete è costituita da tre tessuti:

• Endocardio: strato più interno di tessuto endoteliale che riveste la cavità e forma le valvole cardiache.
• Miocardio: muscolo cardiaco che genera la spinta per irrorare i tessuti di sangue (più spesso nel ventricolo sinistro perché serve per la circolazione sistemica).
• Epicardio: strato esterno formato da una membrana che riveste e protegge.

Esternamente al cuore c'è il pericardio, che mantiene il cuore ancorato allo sterno. Tra pericardio e cuore c'è il liquido pericardico, un lubrificante che agevola il movimento cardiaco.

Il Cuore e la Forza Motrice

La contrazione del cuore si compone di diastole (rilassamento) e sistole (contrazione), che determinano il battito cardiaco (il sangue batte contro le valvole cardiache chiuse) e il ciclo cardiaco (0,8 s):

• La diastole permette ad atri e ventricoli di riempirsi (valvole atrioventricolari aperte).
• La sistole atriale causa la contrazione degli atri, che riversano il sangue nei ventricoli rilassati.
• La sistole ventricolare contrae i ventricoli, chiudendo le valvole atrioventricolari e aprendo le valvole semilunari.
• Riparte il ciclo.

Il numero di battiti in un minuto è la frequenza cardiaca.

Il volume di sangue immesso nella circolazione a ogni contrazione è la gittata sistolica (70 ml).

Attività Elettrica del Cuore

Il cuore è dotato del nodo senoatriale, un tessuto muscolare modificato che agisce da pacemaker, innescando spontaneamente contrazioni ritmiche e regolari. Il nodo senoatriale genera l'impulso elettrico che fa contrarre il cuore.

L'impulso elettrico è generato nella parte apicale dell'atrio destro e si propaga al sistema di conduzione del cuore (nodo atrioventricolare, fascio di His e fibre di Purkinje):

1. Il nodo senoatriale genera lo stimolo nell'atrio destro.
2. L'impulso causa la contrazione degli atri.
3. Lo stimolo raggiunge il nodo atrioventricolare tra atrio destro e ventricoli.
4. Gli atri si rilassano (il sangue è nei ventricoli) e la contrazione prosegue verso il fascio di His (setto interventricolare) e poi nei ventricoli grazie alle fibre di Purkinje, che si diramano dal fascio di His.
5. Dalla parte inferiore, la contrazione spinge il sangue a risalire per essere immesso nelle arterie polmonari e aorta. I ventricoli si rilassano.

Questa contrazione è un fenomeno elettrico e può essere registrato con elettrodi e rappresentato nell'elettrocardiogramma.

Se il nodo senoatriale funziona male, si verificano aritmie e insufficienza cardiaca, che diminuiscono il flusso sanguigno. In questi casi, un pacemaker artificiale può generare l'impulso, rendendo il battito cardiaco più regolare.

Il miocardio è irrorato dalle coronarie, che originano nell'aorta e distribuiscono nutrienti e ossigeno ad atri e ventricoli. Il sangue povero di ossigeno del miocardio viene poi recuperato dalle vene cardiache e reimmesso nell'atrio destro.

L'ostruzione delle coronarie porta all'infarto del miocardio (degenerazione del tessuto per mancato afflusso sanguigno).

Vasi Sanguigni

Il sangue va dal cuore ai tessuti grazie ai vasi sanguigni.

I vasi sono rivestiti da endotelio a contatto con il sangue (più uno strato di tessuto muscolare liscio e connettivo in vene e arterie).

Il flusso del sangue segue questo percorso:

1. Il sangue esce dal cuore e va nelle arterie (vasi con spessa parete elastica che trasportano sangue dal cuore ai tessuti).
2. Dalle arterie passa alle arteriole e poi ai capillari (microscopici vasi sanguigni con parete endoteliale nei quali avvengono scambi di gas e sostanze tra sangue e tessuti – sistema interstiziale – per diffusione secondo gradiente di concentrazione o per endo/esocitosi). I capillari cedono O₂ e raccolgono CO₂ per riportarlo al cuore attraverso una rete lunga chilometri.
3. Dai capillari, il sangue passa alle venule e poi alle vene (vasi con parete sottile che riportano sangue dai tessuti al cuore), dotate di valvole che garantiscono un flusso unidirezionale, poiché la pressione è diminuita.

I Capillari Controllano l'Afflusso di Sangue

La muscolatura liscia (sfinteri capillari) che riveste le arteriole controlla l'afflusso del sangue nei capillari per ridurre la perdita di calore.

Questo controllo può avvenire anche nelle vene. Il sangue nelle vene ha pressione bassa e ritorna al cuore grazie ai muscoli scheletrici e alle valvole unidirezionali.

Se si resta molto seduti, i muscoli delle gambe non si contraggono e il sangue ristagna, causando le vene varicose (il malfunzionamento delle valvole impedisce il reflusso sanguigno e provoca ristagno).

Malattie Cardiovascolari

• Infarto del miocardio: interruzione del flusso sanguigno in una delle arterie coronarie. Private di sangue e ossigeno, le cellule miocardiche muoiono e non sono in grado di rigenerarsi.
• Ictus: interruzione del flusso sanguigno nei vasi cerebrali, con conseguente morte della regione cerebrale privata di ossigeno.

Fattori di rischio: accumulo di placche di colesterolo sulle pareti interne delle arterie (aterosclerosi), che restringono le arterie ostacolando il flusso sanguigno, seguito dal deposito di calcio sulle placche che provoca un indurimento e ispessimento (arteriosclerosi).

• Trombi: masse solide che si formano per coagulazione all'interno dei vasi sanguigni. Sono sempre ancorati alla parete del vaso, per questo motivo il rischio di trombosi è aggravato dalla presenza di placche di colesterolo.
• Coaguli: si formano all'esterno del sistema cardiovascolare.
• LDL (lipoproteine a bassa densità): formate da molecole di colesterolo circondate da fosfolipidi. "Colesterolo cattivo", danno inizio alla formazione di placche.
• HDL (lipoproteine ad alta densità): contribuiscono a rimuovere il colesterolo dalle arterie e a trasportarlo nel fegato per la demolizione.

Misurazione della Pressione Sanguigna

La pressione sanguigna indica l'intensità della forza del flusso sanguigno e fornisce importanti indizi sulla salute del cuore. La valutazione si basa su:

• Pressione massima (sistolica): originata dalla contrazione del cuore, che pompa sangue nelle arterie, causandone la dilatazione.
• Pressione minima (diastolica): intensità della forza che il sangue esercita sulle pareti arteriose durante la pausa tra una contrazione e l'altra. In questo momento la diastolica è più bassa della sistolica.
• Valori standard: 120/80 mmHg.
• Ipotensione: valori inferiori a 90/60 mmHg, può provocare capogiri per l'inadeguato flusso di sangue al cervello.
• Ipertensione: valori superiori a 140/90 mmHg, il cuore è sottoposto a sforzo maggiore: le arterie perdono elasticità e il colesterolo aderisce più facilmente alle pareti, aumentando il rischio di infarto e ictus.