Il battito del cuore è probabilmente associato al fenomeno della vita più fortemente di qualsiasi altro singolo concetto o processo, sia medico che metaforico. Quando le persone discutono di oggetti inanimati o anche di concetti astratti, usano termini come "La sua campagna elettorale ha ancora un pulsare" e "Le possibilità della squadra si sono ridotte quando ha perso il suo giocatore di punta" per descrivere se la cosa in questione è "viva" o non. E quando il personale medico di emergenza incontra una vittima caduta, la prima cosa che controlla è se la vittima ha il polso.
Il motivo per cui un cuore batte è semplice: l'elettricità. Come tante cose nel mondo della biologia, tuttavia, il modo preciso e coordinato in cui l'attività elettrica alimenta il cuore per pompare sangue vitale verso i tessuti del corpo, circa 70 volte al minuto, 100.000 volte al giorno per decenni, è meravigliosamente elegante nella sua operazione. Tutto inizia con qualcosa chiamato an potenziale d'azione, in questo caso un potenziale d'azione cardiaco. I fisiologi hanno diviso questo evento in quattro fasi distinte.
Che cos'è un potenziale d'azione?
Le membrane cellulari hanno un cosiddetto gradiente elettrochimico attraverso il doppio strato fosfolipidico della membrana. Questo gradiente è mantenuto da "pompe" proteiche incorporate nella membrana che muovono alcuni tipi di ioni (particelle cariche) attraverso la membrana in una direzione mentre simili "pompe" muovono altri tipi di ioni nella direzione opposta, portando a una situazione in cui le particelle cariche "vogliono" fluire in una direzione dopo essere stata lanciata nell'altra, come una palla che continua a "volere" tornare da te mentre la lanci ripetutamente dritto nel aria. Questi ioni includono sodio (Na+), potassio (K+) e calcio (Ca2+). Uno ione calcio ha una carica positiva netta di due unità, il doppio di quella di uno ione sodio o di uno ione potassio.
Per avere un'idea di come viene mantenuto questo gradiente, immagina una situazione in cui i cani in un box vengono spostati in una direzione attraverso un recinto mentre le capre in un recinto adiacente vengono trasportate nell'altro, con ogni tipo di animale intento a tornare nel punto in cui è iniziato. Se tre capre vengono spostate nella zona cani per ogni due cani spostati nella zona capre, allora chiunque è responsabile di questo è mantenere uno squilibrio dei mammiferi attraverso il recinto che è costante sopra tempo. Le capre e i cani che cercano di tornare nei loro luoghi preferiti vengono "pompati" all'esterno in modo continuo. Questa analogia è imperfetta, ma offre una spiegazione di base di come le membrane cellulari mantengono un gradiente elettrochimico, chiamato anche potenziale di membrana. Come vedrai, gli ioni primari che partecipano a questo schema sono sodio e potassio.
Un potenziale d'azione è un cambiamento reversibile di questo potenziale di membrana risultante da un "effetto a catena" - un'attivazione di le correnti generate dall'improvvisa diffusione di ioni attraverso la membrana abbassano l'effetto elettrochimico pendenza. In altre parole, determinate condizioni possono interrompere lo squilibrio ionico della membrana allo stato stazionario e consentire agli ioni di fluire in gran numero nella direzione in cui "vogliono" andare, in altre parole, contro la pompa. Questo porta a un potenziale d'azione che si muove lungo una cellula nervosa (chiamata anche neurone) o una cellula cardiaca in allo stesso modo in generale un'onda viaggerà lungo una corda tenuta quasi tesa ad entrambe le estremità se un'estremità è "sbattuto".
Poiché la membrana di solito trasporta un gradiente di carica, è considerata polarizzata, il che significa caratterizzata da diversi estremi (più carica negativa su un lato, più carica positiva su l'altro). Un potenziale d'azione è innescato dalla depolarizzazione, che si traduce vagamente in un temporaneo annullamento del normale squilibrio di carica o in un ripristino dell'equilibrio.
Quali sono le diverse fasi di un potenziale d'azione?
Ci sono cinque fasi del potenziale d'azione cardiaco, numerate da 0 a 4 (a volte gli scienziati hanno strane idee).
Fase 0 è la depolarizzazione della membrana e l'apertura di canali del sodio "veloci" (cioè ad alto flusso). Anche il flusso di potassio diminuisce.
Fase 1 è la parziale ripolarizzazione della membrana grazie a una rapida diminuzione del passaggio degli ioni sodio man mano che i canali veloci del sodio si chiudono.
Fase 2 è il fase di plateau, in cui il movimento degli ioni calcio fuori dalla cellula mantiene la depolarizzazione. Prende il nome perché la carica elettrica attraverso la membrana cambia molto poco in questa fase.
Fase 3 è la ripolarizzazione, poiché i canali del sodio e del calcio si chiudono e il potenziale di membrana ritorna al suo livello di base.
Fase 4 vede la membrana al suo cosiddetto potenziale di riposo di -90 millivolt (mV) come risultato del lavoro della pompa ionica Na+/K+. Il valore è negativo perché il potenziale all'interno della cella è negativo rispetto al potenziale al di fuori di essa e quest'ultimo viene trattato come il sistema di riferimento zero. Questo perché tre ioni sodio vengono pompati fuori dalla cellula per ogni due ioni potassio pompati nella cellula; ricordiamo che questi ioni hanno una carica equivalente di +1, quindi questo sistema risulta in un efflusso netto, o deflusso, di carica positiva.
Il miocardio e il potenziale d'azione
Quindi a cosa porta in realtà tutto questo pompaggio di ioni e la distruzione della membrana cellulare? Prima di descrivere come l'attività elettrica nel cuore si traduce in battiti cardiaci, è utile esaminare il muscolo che produce quei battiti.
Il muscolo cardiaco (cuore) è uno dei tre tipi di muscoli del corpo umano. Gli altri due sono i muscoli scheletrici, che sono sotto controllo volontario (esempio: i bicipiti della parte superiore delle braccia) e lisci muscolo, che non è sotto controllo cosciente (esempio: i muscoli nelle pareti del tuo intestino che si muovono digerendo il cibo lungo). Tutti i tipi di muscolo condividono una serie di somiglianze, ma le cellule del muscolo cardiaco hanno proprietà uniche per soddisfare le esigenze uniche del loro organo genitore. Per prima cosa, l'inizio del "battito" del cuore è controllato da speciali miociti cardiaci, o cellule del muscolo cardiaco, chiamate cellule pacemaker. Queste cellule controllano il ritmo del battito cardiaco anche in assenza di input nervosi esterni, una proprietà chiamata autoritmicità. Ciò significa che anche in assenza di input dal sistema nervoso, il cuore potrebbe in teoria battere ancora finché gli elettroliti (cioè i suddetti ioni) erano presenti. Naturalmente, il ritmo del battito cardiaco, noto anche come frequenza cardiaca, varia considerevolmente e ciò si verifica grazie a input differenziale da una serie di fonti, tra cui il sistema nervoso simpatico, il sistema nervoso parasimpatico e ormoni.
Viene anche chiamato muscolo cardiaco miocardio. È disponibile in due tipi: cellule contrattili miocardiche e cellule conduttrici miocardiche. Come avrete supposto, le cellule contrattili fanno il lavoro di pompare il sangue sotto l'influenza delle cellule conduttrici che inviano il segnale per contrarsi. Il 99% delle cellule del miocardio è di tipo contrattile e solo l'1% è dedicato alla conduzione. Mentre questo rapporto lascia giustamente la maggior parte del cuore disponibile per svolgere il lavoro, significa anche che un difetto nelle cellule che formano il sistema di conduzione cardiaca può essere difficile da eludere per l'organo utilizzando vie di conduzione alternative, di cui esistono solo così molti. Le cellule conduttrici sono generalmente molto più piccole delle cellule contrattili perché non hanno bisogno delle varie proteine coinvolte nella contrazione; devono solo essere coinvolti nell'esecuzione fedele del potenziale d'azione del muscolo cardiaco.
Che cos'è la depolarizzazione di fase 4?
La fase 4 del potenziale cellulare del muscolo cardiaco è chiamata intervallo diastolico, perché questo periodo corrisponde alla diastole, ovvero l'intervallo tra le contrazioni del muscolo cardiaco. Ogni volta che senti o senti il battito del tuo cuore, questa è la fine della contrazione del cuore, che come si chiama sistole. Più veloce è il battito del tuo cuore, maggiore è la frazione del suo ciclo di contrazione-rilassamento che trascorre in sistole, ma anche quando ti alleni a tutto campo e spingi la frequenza cardiaca a 200 gamma, il tuo cuore è ancora in diastole per la maggior parte del tempo, rendendo la fase 4 la fase più lunga del potenziale d'azione cardiaco, che in totale dura circa 300 millisecondi (tre decimi di secondo). Mentre un potenziale d'azione è in corso, nessun altro potenziale d'azione può essere avviato nella stessa porzione di cellula cardiaca membrana, il che ha senso: una volta iniziato, un potenziale dovrebbe essere in grado di completare il suo lavoro di stimolazione del miocardiocardia contrazione.
Come notato sopra, durante la fase 4, il potenziale elettrico attraverso la membrana ha un valore di circa -90 mV. Questo valore si applica alle cellule contrattili; per le cellule conduttrici, è più vicino a -60 mV. Chiaramente, questo non è un valore di equilibrio stabile, altrimenti il cuore semplicemente non batterebbe mai. Invece, se un segnale abbassa la negatività del valore attraverso la membrana cellulare contrattile a circa -65 mV, questo innesca cambiamenti nella membrana che facilitano l'afflusso di ioni sodio. Questo scenario rappresenta un sistema di feedback positivo in quanto un disturbo della membrana che spinge il cella in direzione di un valore di carica positivo genera cambiamenti che rendono ancora di più l'interno positivo. Con la corsa verso l'interno degli ioni sodio attraverso questi canali ionici voltaggio-dipendenti nella membrana cellulare, il miocita entra nella fase 0 e il livello di tensione si avvicina al suo massimo potenziale d'azione di circa +30 mV, che rappresenta un'escursione di tensione totale dalla fase 4 di circa 120 mV.
Che cos'è la fase dell'altopiano?
La fase 2 del potenziale d'azione è anche chiamata fase di plateau. Come la fase 4, rappresenta una fase in cui la tensione ai capi della membrana è stabile, o quasi. A differenza del caso della fase 4, però, ciò avviene nella fase dei fattori di controbilanciamento. Il primo di questi è costituito da sodio che scorre verso l'interno (l'afflusso che non è del tutto rastremato a zero dopo il rapido afflusso nella fase 0) e calcio che scorre verso l'interno; l'altro comprende tre tipi di verso l'esterno correnti del raddrizzatore (lento, intermedio e veloce), tutti caratterizzati dal movimento del potassio. Questa corrente raddrizzatore è ciò che è in definitiva responsabile della contrazione del muscolo cardiaco, poiché questo efflusso di potassio avvia a cascata in cui gli ioni calcio si legano a siti attivi sulle proteine contrattili cellulari (es. actina, troponina) e li blandiscono in azione.
La fase 2 termina quando cessa il flusso verso l'interno di calcio e sodio mentre continua il flusso verso l'esterno di potassio (la corrente rettificatrice), spingendo la cellula verso la ripolarizzazione.
Stranezze del potenziale d'azione delle cellule cardiache
Il potenziale d'azione delle cellule cardiache differisce dai potenziali d'azione nei nervi in vari modi. Per prima cosa, e soprattutto, è molto più lungo. Questo è essenzialmente un fattore di sicurezza: poiché il potenziale d'azione delle cellule cardiache è più lungo, questo significa che anche il periodo in cui si manifesta un nuovo potenziale d'azione, detto periodo refrattario, è più lungo. Questo è importante, perché garantisce un contatto cardiaco fluido anche quando funziona alla massima velocità. Le cellule muscolari ordinarie mancano di questa proprietà e possono quindi impegnarsi in quelle che vengono chiamate contrazioni tetaniche, portando a crampi e simili. È scomodo quando il muscolo scheletrico si comporta in questo modo, ma sarebbe mortale se il miocardio facesse lo stesso.