Il ciclo cardiaco

Un ciclo cardiaco presenta due fasi: la diastole, il periodo in cui il miocardio è rilasciato, e la sistole, in cui il muscolo è contratto. Quando si pensa al flusso sanguigno nel corso di un ciclo cardiaco, bisogna tener presente che il sangue scorre da un'area ad alta pressione verso un'area a bassa pressione e che la contrazione aumenta la pressione, mentre il rilasciamento la diminuisce. Il ciclo cardiaco può essere suddiviso in cinque fasi:
(1) Il cuore a riposo: diastole atriale e ventricolare. Si può cominciare l'analisi del ciclo cardiaco dal breve momento in cui sia gli atri che i ventricoli sono rilasciati. Gli atri sono in fase di riempimento mentre i ventricoli hanno appena terminato la loro contrazione. Appena i ventricoli si rilasciano, le valvole AV si aprono permettendo al sangue di fluire dagli atri verso i ventricoli. I ventricoli rilasciati si espandono per accogliere il sangue che entra;
(2) Completamento del riempimento ventricolare: sistole atriale. Nonostante la maggior parte del sangue entri nei ventricoli quando gli atri sono rilasciati, un ulteriore 20% del riempimento si verifica durante la contrazione atriale che spinge il sangue nei ventricoli. La sistole, o contrazione, atriale inizia a seguito dell'onda di depolarizzazione che attraversa gli atri. L'aumento di pressione che accompagna la contrazione spinge il sangue nei ventricoli;
(3) Fase iniziale della contrazione ventricolare e primo tono cardiaco. Mentre gli atri si contraggono, l'onda di depolarizzazione si muove lentamente attraverso le cellule di conduzione del nodo AV, poi rapidamente lungo le cellule del Purkinje fino a raggiungere l'apice del cuore. La sistole (contrazione) ventricolare inizia a questo livello, con fasci muscolari disposti a spirale che spingono il sangue in alto verso la base del cuore. Il sangue spinto verso l'alto esercita una pressione sulla faccia inferiore dei lembi delle valvole AV, determinandone la chiusura in modo da impedire il reflusso del sangue negli atri. Le vibrazioni generate dalla chiusura delle valvole AV danno origine al primo tono cardiaco S1. Con tutte le valvole chiuse, sia AV sia semilunari, il sangue rimane intrappolato nei ventricoli. Tuttavia i ventricoli continuano a contrarsi determinando una fase detta contrazione ventricolare isovolumetrica, per sottolineare il fatto che il volume di sangue presente nel ventricolo non cambia. Mentre i ventricoli iniziano a contrarsi, le fibre muscolari atriali si ripolarizzano e si rilasciano;
(4) Il cuore come pompa: l'eiezione ventricolare. I ventricoli in contrazione, ad un certo punto, riescono a generare una pressione sufficiente a determinare l'apertura delle valvole semilunari, permettendo il passaggio del sangue nelle arterie. La pressione generata dalla contrazione ventricolare diventa la forza motrice per il flusso sanguigno. Durante questa fase le valvole AV rimangono chiuse e gli atri continuano a riempirsi;
(5) Rilasciamento ventricolare e secondo tono cardiaco. Al termine dell'eiezione ventricolare, i ventricoli iniziano a rilassarsi. Appena ciò accade la pressione ventricolare diminuisce è diventa inferiore a quella presente nelle arterie, quindi il sangue comincia a rifluire verso il cuore: questo flusso retrogrado riempie le cuspidi delle valvole semilunari forzandole verso la posizione di chiusura. Le vibrazioni successive alla chiusura delle valvole semilunari danno origine al secondo tono cardiaco, S2. Inoltre, quando la pressione ventricolare diventa inferiore a quella atriale, le valvole AV si aprono. Il sangue accumulato a livello atriale durante la contrazione ventricolare rapidamente fluisce nei ventricoli. Il ciclo cardiaco riprende dall'inizio.
Un altro modo per descrivere il ciclo cardiaco è quello di utilizzare un grafico pressione-volume. In questo sono rappresentate le variazioni di volume (asse x) e di pressione (asse y) che si verificano durante il ciclo cardiaco. Il ciclo inizia nel punto A. Il ventricolo ha terminato la contrazione è rilasciato e la pressione è al valore minimo. Il sangue sta passando dalle vene polmonari verso l'atrio. Quando la pressione atriale supera quella ventricolare, la valvola mitrale, che si trova tra l'atrio e il ventricolo sinistro, si apre (punto A). Il sangue si dirige verso il ventricolo, aumentandone il volume (passaggio dal punto A al punto B). Mentre il sangue scorre, il ventricolo rilasciato si espande per accoglierlo: di conseguenza il volume ventricolare aumenta mentre la pressione resta costante. L'ultima parte del riempimento ventricolare è completata dalla contrazione atriale. I ventricoli ora contengono il volume massimo di sangue di tutto il ciclo (punto B). poiché il riempimento massimo si verifica alla fine del rilasciamento ventricolare (diastole), questo volume viene definito volume telediastolico (EDV). All'inizio della contrazione ventricolare, la valvola mitrale si chiude. Con le valvole AV e quelle semilunari chiuse, il sangue presente nei ventricoli non può uscire. I ventricoli, tuttavia, continuano a contrarsi, facendo sì che la pressione intraventricolare aumenti rapidamente durante la contrazione isovolumica (B→C). Quando la pressione ventricolare supera quella presente a livello dell'aorta, la valvola aortica si apre (punto C). La pressione continua ad aumentare man mano che il ventricolo prosegue la contrazione, mentre il volume ventricolare diminuisce perché il sangue viene spinto nell'aorta (C→D). Il cuore non si svuota completamente ad ogni contrazione ventricolare. La quantità di sangue che rimane al termina della sistole viene definita volume telesistolico (ESV). L'ESV (punto D) è la quantità minima di sangue che il ventricolo conterrà durante un ciclo cardiaco. Dopo la contrazione, il ventricolo inizia a rilasciarsi; quando ciò si verifica la pressione interventricolare decresce. Non appena tale pressione diventa inferiore a quella aortica, le valvole semilunari si chiudono e il ventricolo diventa di nuovo una camera chiusa. La rimanente fase del rilasciamento si verifica senza modifiche del volume del sangue, pertanto la fase viene detta di rilasciamento isovolumico (D→A). Quando la pressione ventricolare scende a tal punto che la pressione atriale diventa superiore, la valvola mitrale si apre e il ciclo riprende dall'inizio.

Il volume telesistolico di 65 mL che si ha a riposo fornisce un margine di sicurezza: il cuore può, mediante una contrazione più energetica, diminuire il suo ESV, pompando un ulteriore quantità di sangue verso i tessuti. Comunque, la quantità di sangue pompata da un ventricolo durante una contrazione è detta gittata sistolica. Si misura in millilitri per battito cardiaco e può essere calcolata:
volume del sangue prima della contrazione – volume di sangue nel ventricolo dopo la contrazione = gittata sistolica (EDV – ESV = gittata sistolica). Per la contrazione media in una persona a riposo: 135 mL – 65 mL = 70 mL, che rappresenta la gittata sistolica normale. L'efficacia del cuore come pompa, invece, è data dalla misura della gittata cardiaca, corrispondente al volume di sangue pompato dal cuore in un periodo di tempo stabilito. Poiché tutto il sangue che lascia il cuore raggiunge i tessuti, la gittata cardiaca è un indice del flusso ematico totale attraverso il corpo. La gittata cardiaca (GC) può essere calcolata moltiplicando la frequenza cardiaca (battiti al minuto) per la gittata sistolica. Per un valore medio di frequenza cardiaca a riposo di 72 battiti al minuto e una gittata sistolica di 70 mL per battito, otteniamo: GC = 72 battiti/minuto x 70 mL/battito = 5040 mL/minuto (circa 5 L/minuto). Il volume totale del sangue in media è di circa 5 litri; questo significa che a riposo un ventricolo pompa tutto il sangue presente nell'organismo in un solo minuto! Di solito tutti questi parametri sono regolati. Ad esempio, la frequenza cardiaca, che di solito in un soggetto a riposo è di 70 battiti per minuto (bpm) e viene determinata dalle cellule autoritmiche del nodo SA, viene modulata da segnali nervosi e ormonali. Le branche ortosimpatica e parasimpatica del sistema nervoso autonomo influenzano la frequenza cardiaca per mezzo di un controllo antagonista. L'attività parasimpatica rallenta la frequenza cardiaca, mentre l'attività ortosimpatica l'aumenta. Un aumento della frequenza cardiaca può essere ottenuto anche aumentando la velocità di depolarizzazione delle cellule autoritmiche grazie alla presenza di noradrenalina e adrenalina, secrete dai neuroni ortosimpatici. Oppure, l'acetilcolina, rilasciata dai neuroni parasimpatici rallenta la conduzione dei potenziali d'azione del nodo AV. La gittata sistolica, invece, è direttamente correlata alla forza generata dal miocardio durante la contrazione stessa: più elevata è la forza, maggiore darà la gittata sistolica. Nel cuore isolato (denervato), la forza della contrazione ventricolare è influenzata da due parametri: la lunghezza della fibra muscolare all'inizio della contrazione (quando aumenta, aumenta anche la tensione), a sua volta influenzata dal volume di sangue presente nel ventricolo, e la contrattilità miocardica, che rappresenta la capacità della fibra muscolare cardiaca di contrarsi e dipende dall'interazione del Ca2+ con i filamenti contrattili; quindi la contrattilità aumenta quando la disponibilità di calcio per la contrazione è maggiore.