Nonostante che nel cuore siano presenti delle strutture cellulari
con funzioni quanto mai diversificate, si possono identificare
delle caratteristiche elettrofisiologiche generali delle cellule
miocardiche che, seppur con diversa espressione, possono essere
identificate in ogni porzione cardiaca. Tali proprietà
elettrofisiologiche sono:
- Automatismo
- Eccitabilità
- Refrattarietà
- Conduzione
Automatismo
L'automatismo è
la proprietà di particolari cellule cardiache di generare
degli impulsi elettrici, cioè dei potenziali di azione
propagabili da una cellula ad un'altra.
Le cellule dotate di automatismo sono in grado di depolarizzarsi
ciclicamente funzionando quindi da "segnapassi". Cellule
dotate di attività segnapassi si trovano in corrispondenza
del nodo del seno, del nodo atrio ventricolare, negli anelli mitralico
e tricuspidale e nel sistema di His Purkinje. La frequenza di
depolarizzazione spontanea di tali segnapassi diminuisce man mano
che dal nodo del seno ci si avvicina ai ventricoli;
Frequenza dei vari segnapassi:
nodo seno atriale : 50 - 100
nodo atrio ventricolare: 40 - 60
sistema di Purkinje: 30 - 40
In base a quanto esposto, in condizioni normali il nodo del seno
(segnapassi primario) finisce per sopprimere l'automatismo degli
altri siti dotati di automatismo (segnapassi sussidiari); in condizioni
di alterato automatismo del nodo del seno altri segnapassi possono
emergere alla loro frequenza intrinseca. Basi elettrogenetiche dell'automatismo
In ogni cellula miocardica il potenziale di azione si genera quando
il potenziale di membrana diventa meno negativo e raggiunge il
valore di soglia.
Mentre nelle fibrocellule del miocardio di lavoro non si assiste
alla depolarizzazione spontanea, nelle cellule dotate di automatismo
intrinseco durante la fase 4 si realizza una depolarizzazione
spontanea che porta il potenziale transmembrana fino al valore
di soglia con conseguente generazione di un potenziale di azione.
La depolarizzazione spontanea delle cellule dotate di automatismo
è dovuta a particolari caratteristiche strutturali della
loro membrana cellulare che durante la fase diastolica presenta
sia una certa permeabilità per il Sodio che una minore
attività rettificante per il Potassio (la corrente che
portando K all'esterno della cellula facilita il mantenimento
della elettronegatività endocellulare). Entrambi queste
caratteristiche strutturali portano ad una progressiva perdita
del potenziale diastolico fino al raggiungimento della soglia
diastolica a cui consegue la generazione di un potenziale di azione
(Vedi la figura 2 qui sotto)
A differenza delle fibrocellule di miocardio ordinario che presentano
una elevata pendenza della fase 0 derivante dalle correnti del
Sodio, le cellule segnapassi presentano una fase O con ascesa
molto lenta dovuta alla liberazione di ioni Calcio.
Le cellule del miocardio contrattile non presentano alcuna depolarizzazione
diastolica spontanea e pertanto non presentano automatismo. Regolazione dell'automatismo delle cellule segnapassi
La frequenza di depolarizzazione delle cellule segnapassi rappresenta
il meccanismo mediante il quale viene regolata la frequenza cardiaca
alle esigenze metaboliche istantanee dell'organismo.
La ricca innervazione sia simpatica che parasimpatica del nodo
del seno e del nodo atrio ventricolare garantisce un aumento della
frequenza in caso di ipertono simpatico ed una diminuzione in
caso di ipertono vagale. Il meccanismo ionico di tale meccanismo
si basa sulla possibilità di modulare la permeabilità
per il Potassio della membrana cellulare: agendo su particolari
proteine G di membrana, l'acetilcolina è in grado di determinare
aumento della permeabilità al potassio, iperpolarizzazione
di membrana e ridotta pendenza della fase 0 del potenziale di
azione; è con tale meccanismo che l'ipertono vagale riduce
la frequenza cardiaca. Un effetto opposto si ottiene invece con
l'ipertono simpatico che porta a riduzione della permeabilità
di membrana per il potassio, ed aumentata tendenza alla depolarizzazione
spontanea di membrana.
Conduzione
Conduzione Sodio dipendente
La proprietà
di condurre un fronte di depolarizzazione da una cellula ad un
altra e da una porzione di cuore ad un'altra con eccezionale rapidità
è una delle proprietà fondamentali del cuore.
Questo può accadere grazie alla presenza di particolari
strutture di giunzione intercellulare (GAP Junction) che mettono
in diretta connessione elettrica i citoplasmi di cellule attigue.
E' attraverso queste connessioni che si ha la formazione di un
sincizio funzionale tale per cui la depolarizzazione di una cellula
porta alla istantanea depolarizzazione di tutte le altre cellule
elettricamente contigue.
Le giunzioni intercellulari non sono delle strutture statiche
di passiva interconnessione ma sono sottoposte ad una fine regolazione
delle loro proprietà da parte dell'ambiente intracellulare;
in particolare aumenti della concentrazione di sodio, idrogenioni
o magnesio che si verificano per insulti di tipo ischemico portano
a perdita della permeabilità delle giunzioni, evitando
così che tali pericolose alterazioni si propaghino alle
cellule adiacenti con conseguente diffusione del danno ischemico.
La distribuzione spaziale delle giunzioni intercellulari finisce
per determinare la direzione preferenziale di propagazione del
fronte di depolarizzazione.
La propagazione spaziale del fronte di attivazione all'interno
del miocardio avviene preferenzialmente in direzione longitudinale
grazie ad un maggior numero di giunzioni poste sulla direzione
longitudinale rispetto a quella trasversale.
Il differente rapporto tra giunzioni longitudinale e trasversali
spiega anche le diversità di capacità conduttive
esistenti tra le varie strutture cardiache:
- Atrio: 1000 mm/sec
- Ventricolo: 400 mm/sec
- Purkinje: 4000 mm/sec
Le fibre di miocardio atriale, avendo anche una funzione di interconnessione
tra i due nodi presentano capacità conduttive longitudinali
nettamente superiori rispetto alle fibre del miocardio ventricolare
che viceversa devono avere una buona capacità di conduzione
laterale per assicurare l'attivazione a tutto spessore della parete
ventricolare; queste diversitÓ conduttive sono rese possibili
da un diversa distribuzione tra giunzioni longitudinali e rasversali
il cui rapporto è di 10:1 per l'atrio e di 3:1 per il ventricolo.
La distribuzione spaziale delle giunzioni è alla base delle
elevatissime capacità conduttive delle fibre del sistema
His-Purkinje; a tale livello sono presenti fittissime interconnessioni
longitudinali; le giunzioni laterali sono solo presenti tra le
varie fibre dei fasci di conduzione ma non con il circostante
miocardio di lavoro.
Tale struttura impedisce la perdita di cariche elettriche in direzione
laterale e trasforma l'insieme di tutte le fibre in un unico corpo
conduttore simile in tutto e per tutto ad un cavo elettrico; giunzioni
intercellulari in direzione trasversale tra fibre del sistema
His-Purkinje e miocardio di lavoro compaiono solo a livello delle
diramazioni terminali garantendo una depolarizzazione dei singoli
settori di parete miocardica estremamente programmata.
La conduzione longitudinale è favorita anche dalla presenza
di setti di tessuto fibroso che dividono il miocardio in toto
in fasci di fibre pressochè elettricamente isolate; questo
tipo di sepimentazione è particolarmente evidente a livello
del miocardio atriale ed aumenta nell'età avanzata. Conduzione Calcio dipendente
A livello del nodo atrioventricolare, sono presenti delle zone
di conduzione estremamente rallentata 20 mm/sec; tale tipo di
conduzione è dipendente dalla liberazione di ioni calcio.
Le correnti depolarizzanti legate al calcio sono circa 10 volte
pi¨ basse rispetto a quelle legate al sodio e questo rende
conto della lenta ascesa della fase 0 di tali cellule e della
lenta velocità di conduzione delle strutture costituite
da cellule calcio dipendenti.
Una conduzione di tipo calcio dipendente può anche aversi
in cellule primitivamente sodio dipendenti il cui canale rapido
del sodio sia stato inattivato da un calo di potenziale diastolico
come può verificarsi in corso di ischemia.
Eccitabilità
La eccitabilità è la capacità di una fibrocellula
muscolare cardiaca di rispondere con un potenziale di azione ad
uno stimolo depolarizzante esterno.
Tale stimolo proviene generalmente da una cellula attigua ma artificialmente
può provenire anche da un generatore artificiale di impulsi
e deve essere in grado di ridurre il potenziale transmembrana
ad un valore critico denominato soglia di stimolazione, raggiunto
il quale si attivano i canali voltaggio dipendenti del Sodio (cellule
a risposta rapida) o del Calcio (cellule a risposta lenta). La
necessità di raggiungere un valore li depolarizzazione
critico spiega il tipo di risposta denominato "tutto o nulla"
in base al quale stimoli sottoliminari non producono alcuna risposta
mentre qualunque stimolo al disopra della soglia produce una risposta
massima costituita dal potenziale di azione.
L'entità della risposta ottenuta (in particolare il Vmax
cioè il potenziale all'apice della fase 0) dipende dal
potenziale diastolico di membrana: tanto maggiore è la
negatività del potenziale diastolico transmembrana tanto
maggiore sarà la relativa risposta evocata per una maggiore
attivazione dei canali del sodio. Da questo deriva come variazioni
elettrolitiche modificanti il potenziale diastolico di membrana
sono in grado di modificare l'ampiezza e la pendenza della fase
0 così come la morfologia del potenziale di azione. Le
variazioni della concentrazione di potassio nel mezzo extracellulare
giocano il ruolo maggiore nel determinare la eccitabilità
cellulare.
Refrattarietà
Si definisce refrattarietà la capacità della cellula
miocardica di rendersi ineccitabile a qualunque stimolo esterno
per un periodo di tempo immediatamente successivo ad una depolarizzazione.
La cellula miocardica esce dalla fase di refrattarietà
e riacquista la completa eccitabilità nel momento in cui
recupera un determinato potenziale diastolico transmembrana.
La refrattarietà è un meccanismo attraverso il quale
la cellula miocardica si autoprotegge dalle elevate frequenze
di stimolazione.
L'alternarsi di periodi di refrattarietà a periodi di completa
eccitabilità si realizza grazie alla capacità dei
canali del Sodio di assumere 3 diverse configurazioni strutturali
a seconda del potenziale transmembrana; a queste 3 configurazioni
spaziali corrispondono 3 stati funzionali del canale medesimo:
Stato di riposo: corrisponde alla fase 4 del potenziale di azione;
il canale è chiuso ma ha la capacità di aprirsi
non appena il potenziale transmembrana diminuisce per arrivare
a quello di soglia.
stato di apertura: non appena viene raggiunto il potenziale soglia
si ottiene l'apertura del canale che viene attivato con conseguente
ingresso di ioni Sodio ed inversione della polarità endocellulare;
tale stato corrisponde alla fase 0 del potenziale di azione.
Stato di inattivazione: la completa depolarizzazione cellulare
porta ad un ulteriore cambio strutturale del canale che diventa
inaccettabile a qualunque sollecitazione elettrica. Tale stato
è responsabile della refrattarietà della cellula
miocardica. Con la ripolarizzazione della cellula il canale del
sodio ritorna dalla configurazione di inattivazione a quella di
riposo permettendo alla cellula di uscire dal proprio periodo
refrattario e di riacquistare eccitabilità.
Nel potenziale di azione standard è possibile identificare
una prima fase in cui nessuno stimolo è in grado di depolarizzare
la cellula (periodo refrattario assoluto: P.R.A.) seguita da una
seconda fase (periodo refrattario relativo: P.R.R.) in cui solo
stimoli di entità superiore a quelli usuali possono depolarizzare
la cellula.
Alla fase del periodo refrattario relativo segue una fase denominata
supernormale in cui si assiste ad un abbassamento della soglia
di stimolazione rispetto alla restante fase 4.
Giuseppe Bagliani
Elettrocardiologia alle "soglie" del 2000
