FIZIOLOGIA MIOCARDULUI - suport de curs 2017

Size: px

Start display at page:

Download "FIZIOLOGIA MIOCARDULUI - suport de curs 2017"

Jerome Bishop
6 years ago
Views:

1 FIZIOLOGIA MIOCARDULUI - suport de curs 2017 Obiective educaţionale: După parcurgerea acestui material, studenţii vor putea să: - definească noţiune de sinciţiu funcţional - explice structura şi funcţionarea conexonilor/joncţiunilor de tip gap - descrie componentele fibrei miocardice contractile - descrie canalele, pompele şi transportori implicaţi în cuplarea excitaţiei cu contracţia la nivelul miocardului - explice mecanismul cuplării excitaţiei cu contracţia la nivelul miocardului - explice mecanismul contracţiei şi relaxării miocardului - definească noţiunea de proprietate inotropă şi lusitropă - explice noţiune de inotrop pozitiv şi lusitrop pozitiv - descrie tipurile de contracţie întâlnite la nivelul miocardului: izometrică/izovolumetrică; izotonă/izobară; auxotonă; contracţie postsarcină - explice diagrama lucrului mecanic al inimii - descriere caracteristicile zgomotelor cardiace 1. Proprietăţile miocardului Miocardul are următoarele proprietăţi: - Automatismul - Excitabilitatea = proprietatea batmotropă - Ritmicitatea = proprietatea cronotropă - Conductibilitatea = proprietatea dromotropă - Contractilitatea = proprietatea inotropă - Capacitatea de relaxare = proprietatea lusitropă 2. Particularităţi structurale ale fibrelor miocardice Fibrele miocardice sunt celule uninucleate. Au o lungime mai mică în comparaţie cu fibrele musculare striate şi prezintă numeroase ramificaţii. Între fibrele miocardice există conexiuni: discurile intercalare sau striile scalariforme. Acestea sunt alcătuite din conexiuni mecanice (desmozomi) şi conexiuni funcţionale (joncțiuni gap). O joncţiune 1

2 gap prezintă două hemicanale (un hemicanal la nivelul sarcolemei fiecărei celule participante) numite conexoni. Hemicanelele au structură proteică, fiind alcătuite din şase molecule de conexină (identice sau diferite). Principalele tipuri de conexină întâlnite la nivelul miocardului sunt conexina 40 (Cx40), conexina 43 (Cx43), conexina 45 (Cx45) etc. Ca urmare a conexiunilor electrice dintre fibrele musculare, care permit propagarea bidirecţională a curenţilor ionici, miocardul este sinciţiu funcţional (deşi este alcătuit din celulele independente, acestea funcţionează ca şi când ar fi una singură ). Deoarece joncţiunea atrioventriculară este izolată electric, singura conexiune electrică fiziologică dintre atrii şi ventricule este nodulul atrioventricular (cu conducere lentă); în consecinţă, atriile alcătuiesc un sinciţiu funcţional, în timp ce ventriculele alcătuiesc un al doilea sinciţiu funcţional. Contracţia atrială precedă contracţia ventriculară. Particularităţile sarcolemei. La nivelul sarcolemei fibrelor miocardice există un sistem de tubuli transversali asemănător celor din fibrele musculare striate de tip scheletic: tubuli T. Prin tubulii T, potenţialul de acţiune generat la nivelul sarcolemei se propagă şi în tonele profunde ale fibrei musculare striate. Majoritatea tubulilor T au dispoziţie radiară, fiind perpendiculari pe axul lung al miocitului. Alţi tubuli T se dispun în paralele cu axul lung al miocitului, putând interconecta tubulii T radiari între ei. Membrana Z solidarizează miofibrilele între ele şi se inseră pe sarcolemă la nivelul tubulilor T. La nivelul sarcolemei există şi caveole, unde se găsesc numeroşi receptori şi ATP-aze Ca 2+ - dependente (PMCA). Particularităţile reticulului sarcoplasmic (RS). RS este bine dezvoltat şi formează o reţea amplă tubulară cu dilataţii terminale: cisterne încărcate cu ioni Ca 2+ ; în repaus (diastolă), în cisterne sunt sechestraţi ionii Ca 2+ cu ajutorul proteinei numită calsechestrina. Cisternele reticulului sarcoplasmatic împreună cu tubulii T formează diade. Între membrana tubulului T şi membrana cisternelor se pare că există conexiuni mecanice alcătuite din benzi dense. Între membrana tubulilor T şi membrana cisternelor există un spaţiu de aproximativ 15 nm. În sarcoplasmă se găsesc şi numeroase mitocondrii (mai numeroase decât în muşchiul striat scheletic) necesare pentru furnizarea de energie. 2

3 3. Canale, pompe şi transportori La nivelul sarcolemei se întâlnesc următoarele canale şi proteine transportor mai importante pentru declanşarea contracţiei şi relaxării miocardului. - Canale de Ca 2+ de tip L ( long lasting ) dihidropiridin (DHP) sensibile. Sunt canale voltaj dependente care permit influxul de Ca 2+ în interiorul fibrei musculare, intervenind în cuplarea excitaţiei şi contracţia şi în completarea rezervelor de Ca 2+ de la nivelul reticulului sarcoplasmic. Participă în mică măsură în mod direct la declanşarea interacţiunii actină-miozină. - Canale de Ca 2+ mecano-dependente, care se deschid ca urmare a întinderii fibrei musculare. - ATP-aza Ca 2+ -dependentă (PMCA), localizată la nivelul caveolelor. Acestea expulzează Ca 2+ spre exteriorul fibrei miocardice (pentru fiecare ion Ca 2+ expulzat pătrunde un ion H + ). Intervenţia sa este minimă în relaxare (< 5%). Activitatea sa, se pare, este influenţată de concentraţia citosolică a Ca 2+ prin intermediul complexelor Ca 2+ -calmodulină. - Antiportul Ca 2+ /3Na + (NCX1), care expulzează Ca 2+ şi introduce Na + în fibra musculară. Activitatea sa este întreţinută de gradientul pentru Na + creat de ATP-aza Na + - dependentă. Prin activitatea sa, acest antiport este electrogen. Poate fi blocat de glicozizii cardiotonici. La nivelul membranei reticulului sarcoplasmic se întâlnesc următoarele canale şi proteine transportor mai importante. - Canalele de Ca 2+ ryanodin-sensibile tip 2 (alcătuite din patru subunităţi RyR2), ligand-dependente (ionotrope), care permit efluxul de Ca 2+ din reticulul sarcoplasmatic; se deschid ca urmare a pătrunderii Ca 2+ din spaţiul extracelular ( scânteia de Ca 2+ ). Aceste canale rămân deschise pentru un interval de timp mai lung decât canalele DHPsensibile (tip L). - ATP-aza Ca 2+ -dependentă (SERCA) intervine în recaptarea Ca 2+ în reticulul sarcoplasmic (pentru fiecare ion Ca 2+ introdus în reticul sunt expulzaţi în citosol 2 ioni H + ). Această ATP-ază îşi asociază o proteină reglatoare (fosfolamban) cu efect inhibitor. Prin fosforilare (spre ex., sub acţiunea noradrenalinei, care utilizează AMPc în calitate de 3

4 mesager II, se activează protein-kinaza A care, la rândul său, fosforilează fosfolambanul, activitatea inhibitoare a fosfolambanului încetează, favorizându-se relaxarea efect lusitrop pozitiv). La nivelul membranei mitocondriale există canale mitocondriale pentru ionii Ca 2+ ( inward rectifying ) care participă la recaptare. 4. Structura miofibrilelor din fibrele miocardice Fibrele miocardice prezintă organite specifice miofibrile organizate în sarcomere (au aspect striat). Sarcomerul reprezintă unitatea morfofuncţională a miofibrilei striate şi este alcătuit dintr-o alternanţă de discuri clare (banda I izotropă) şi discuri întunecate (banda A anizotropă). În centrul fiecărui disc clar se găseşte linia Z. În centrul fiecărui disc întunecat se poate observa o bandă mai luminoasă H, străbătută de linia M. Structura miofibrilei este cvasiidentică cu cea din fibre scheletică. Actina şi miozina sunt proteine contractile, în timp ce troponina, tropomiozina şi titina sunt proteine reglatoare. Filamentele groase sunt alcătuite din miozină (mai multe molecule). Molecula de miozina, prezintă o coadă şi două capete globulare. Două lanţuri grele (cu structură de α- helix) se găsesc atât la nivelul cozii cât şi la nivelul capetelor globulare. La nivelul capului globular se asociază şi lanţurile uşoare (esenţial şi reglator). Prin fosforilarea lanţurilor uşoare reglatoare se modulează activitatea miozinei (afinitatea pentru actină şi capacitatea de a forma punţi transversale). Fiecare cap globular prezintă două situsuri: un situs pentru legarea actinei şi un situs cu activitate ATP-azică. Filamentul subţire conţine mai multe tipuri de proteine. Actina G formează, prin polimerizare, actina F. Filamentul subţire este alcătuit din două α-helixuri de actină F. În incizura dintre cele două helixuri de actină F se găseşte tropomiozina. O moleculă de tropomiozină corespunde la şapte molecule de actină G. Una dintre extremităţile tropomiozinei se învecinează cu troponina. Molecula de troponină are trei subunităţi. TnC leagă ionii de Ca 2+ ; la nivelul miocardului se întâlneşte TnC1, capabilă să lege 3 ioni Ca 2+. TnT se leagă de tropomiozină şi TnI intervine în blocarea interacțiunii actină- 4

5 miozină în repaus. Titina interconectează linia Z (din centrul discului clar) cu linia M (din centrul discului întunecat). Principalul rol al titinei este conferirea unui grad de rigiditate miocardului, ceea ce evită depăşirea limitelor fiziologice ale activităţii sale (în repaus, dimensiunea maximă a sarcomerului este de 2,6 μm; întinderea peste această dimensiune prezintă riscul ruperii fibrelor musculare). 5. Particularităţi ale cuplării excitaţiei cu contracţia în miocard Datorită existenţei joncţiunilor de tip gap, fibrele miocardice funcţionează ca un sinciţiu. Deoarece joncţiunea atrio-ventriculară este, practic, izolată electric şi nu permite conducere impulsurilor electrice de la atrii spre ventricule decât prin nodulul atrioventricular (cu conducere lentă a se vedea electrofiziologia miocardului), se poate considera că inima este alcătuită din două sinciţii funcţionale: unul atrial şi unul ventricular, interconectate prin nodulul atrioventricular. În repaus, concentraţia citosolică a Ca 2+ este < 0,1 μm. În contracţie maximă, poate creşte de peste 1000 de ori, atingând valoarea de 100 μm. În urma apariţiei potenţialului de acţiune la nivelul fibrei miocardice, se deschid canale de Ca 2+ DHP-sensibile şi se înregistrează un influx de Ca 2+, concentraţia Ca 2+ crescând în regiunea subsarcolemală. Ionii Ca 2+ pătrunşi activează canalele de Ca 2+ RyR sensibile de la nivelul membranei reticulului sarcoplasmic, ceea ce duce la creşterea masivă a concentrației citosolice a Ca 2+. Ca 2+ extracelular participă la interacţiunea actină-miozină cu aproximativ 20%, în timp ce Ca 2+ eliberat din reticulul sarcoplasmic participă cu aproximativ 80%. 6. Mecanismul contracţie şi relaxării Creşterea concentraţiei citosolice a Ca 2+ > 1 μm declanşează formarea de punţi actinămiozină. Ciclurile contractile se desfăşoară similar celor din muşchiul striat de tip scheletic (a se vedea suportul de curs din anul I). Datorită particularităţilor potenţialului de acţiune din fibra miocardică contractilă (relaxare cu platou), contracţia durează atât timp cât durează şi potenţialul de acţiune, perioada refractară încheindu-se odată cu contracţia. 5

6 Relaxare apare ca urmare a scăderii concentraţiei citosolice a Ca 2+. Aproximativ 80% din Ca 2+ este recaptat în reticulul sarcoplasmic de ATP-aza Ca 2+ -dependentă (SERCA). Restul de 20% este expulzat în afara miocitului (15% prin antiportul Ca 2+ /3Na + şi 5% de ATP-aza Ca 2+ -dependentă de la nivelul sarcolemei). Glicozizii cardiotonici (ex., digitala) inhibă activitatea ATP-azei Na + /K + -dependente, diminuă gradientul de Na + între cele două feţe ale sarcolemei şi, implicit, menţin ridicată pentru un interval mai lung de timp concentraţia citosolică a Ca Tipuri de contracţii la nivelul miocardului contractil a. Contracţiile izometrice Lungimea sarcomerului influenţează tensiunea la nivelul miocardului în repaus. Între 2-2,4 μm creşterea tensiunii este lentă. La valori mai mari de 2,6 μm se înregistrează o creştere brusă a tensiunii de repaus, peste această valoare existând risc de rupere. Pentru a evita ruperea miofibrilelor, moleculele de titină limitează extensibilitatea, conferind rigiditatea specifică miocardului. Prin stimulare, miocardul se contractă şi dezvoltă o tensiune activă. Tensiunea activă dezvoltată este dependentă de lungimea de pornire a sarcomerelor. Tensiunea maximă dezvoltată se înregistrează la o lungime iniţială a sarcomerelor de 2,4 μm. În general, miocardul activează la lungimi mult mai mici ale sarcomerelor. În consecinţă, are capacitatea de a-şi creşte mult capacitatea contractilă în funcție de lungimea iniţială a fibrei. Capacitatea contractilă este influenţată de următorii factori: - gradul de suprapunere al miofilamentelor (numărul de punţi maxim care poate fi realizat); - modificarea sensibilităţii pentru Ca 2+ şi numărul de punţi care se formează (din numărul maxim potenţial de punţi posibile); modulat prin modificarea activităţii troponinei C şi prin fosforilarea/defosforilarea lanţului uşor reglator al miozinei; - intervenţia canalelor mecano-dependente de Ca 2+ (creşte influxul de ionii Ca 2+ odată cu întinderea fibrei miocardice). Atunci când se descrie activitatea unui întreg ventricul complet închis (valvele atrioventriculare şi semilunare închise), se vorbeşte de contracţie izovolumetrică, respectiv relaxare izovolumetrică. 6

7 b. Contracţiile izotone Sunt contracții în timp cărora tensiunea (forţa de contracţie) se menţine constantă, înregistrându-se scurtarea fibrei musculare. În funcţie de lungimea iniţială a sarcomerelor, variază şi capacitatea de scurtare a miocitului. Atunci când se vorbeşte despre contracţia ventriculară în timpul căreia presiunea este constantă, se poate utiliza termenul de contracţie izobară. c. Contracţiile postsarcină Sarcina exercitată asupra miocardului în repaus poartă numele de presarcină. Lungimea miocitului în repaus este influenţată de presarcină. Sarcina realizată în timpul contracţiei se adaugă la sarcina de repaus (o încărcare suplimentară). Sarcina totală (presarcina+încărcarea suplimentară) reprezintă postsarcina ( afterload ). În acest caz, iniţial are loc o contracţie izometrică (până la realizarea unei tensiuni egale cu sarcina totală), urmată de o contracţie izotonă. Această succesiune poartă numele de contracţie postsarcină (afterload). d. Contracţiile auxotonice Sunt contracții în timpul cărora variază atât lungimea (volumul) cât şi tensiunea (presiunea). Spre exemplu, în cazul fazei de ejecţie se înregistrează o scădere a volumului ventricular însoţită de o creştere a tensiunii (contracţie auxotonică). 7

8 8. Lucrul mecanic miocardic Pentru calcularea lucrului mecanic (travaliului) miocardului, este necesară reprezentare grafică a diagramei acestuia. Pentru realizarea acestei diagrame se utilizează mai multe curbe, prezentate anterior: 1. curba presiune/volum în repaus (lucrul mecanic efectuat de sânge asupra ventriculului relaxat); 2. curba maximelor izovolumetrice; 3. curba maximelor izobare şi 4. curba maximelor postsarcină. Diagrama va avea mai multe etape: - contracţie izovolumetrică (creşte presiunea intracavitară) - contracţie auxotonică (scade volumul şi creşte presiunea; ulterior volumul continuă să scadă în paralel cu scăderea presiunii) - relaxarea izovolumetrică Calcularea ariei de sub această curbă permite calcularea travaliului cardiac. Ventriculul stâng realizează un travaliul (lucru mecanic) de aproximativ 1,07 J, în timp ce ventriculul drept un travaliu de aproximativ 0,16 J. 8

9 ZGOMOTELE CARDIACE Zgomotele cardiace sunt manifestări acustice ale ciclului cardiac. Există două zgomote fiziologice, produse, predominant, de închiderea valvelor atrioventriculare (zgomotul I) şi semilunare (zgomotul II). Zgomotele patologice au o tonalitate mai înaltă decât cele fiziologice. Patologic, pot apărea zgomotele III şi IV, sufluri (de insuficienţă sau de stenoză) etc. Pot fi înregistrate pe fonocardiogramă. Zgomotul I, lung, cu tonalitatea joasă, este produs la începutul sistolei ventriculare. Poate fi auscultat la nivelul spaţiului intercostal V stâng, linia medioclaviculară, pentru valva mitrală, şi la nivelul spaţiului intercostal IV stâng, parasternal, pentru valva tricuspidă. Apare imediat după complexul QRS pe ECG. Zgomotul II, scurt, cu tonalitate mai înaltă, este produs la începutul diastolei ventriculare. Poate fi auscultat la nivelul spaţiului II intercostal stâng (pentru valva aortică) şi II drept parasternal (pentru valva pulmonară). Apare spre sfârşitul undei T pe ECG. La copii, fiziologic, poate fi observată dedublarea acestui zgomot prin separarea momentului închiderii celor două valve. În inspir, decalajul poate creşte (30-60 msec.). Zgomotele III şi IV nu sunt, în mod normal, fiziologice. Atunci când există, zgomotul III (cauzat de umplerea pasivă rapidă a ventriculelor), se aude imediat după zgomotul II. Deşi poate fi auzit uneori la copii (fără semnificaţie patologică), este, de obicei, semn de insuficienţă ventriculară. Succesiunea zgomotelor I, II şi III galop ventricular. Zgomotul IV este întotdeauna patologic. Atunci când există, este generat de sistola atrială şi umplerea rapidă a ventriculelor şi precedă zgomotul I. Semnifică o creştere a rigidităţii miocardului. Succesiunea zgomotelor I, II şi IV galop atrial. ŞOCUL APEXIAN şi PULSUL ARTERIAL Sunt manifestări mecanice ale ciclului cardiac. Şocul apexian este generat de impactul apexului cardiac asupra peretelui toracic în timpul sistolei. Poate fi palpat la nivelul spaţiului V intercostal stâng pe linia medioclaviculară. Pulsul arterial este sincron cu sistola ventriculară. Este cauzat de unda de puls care se propagă la nivelul peretelui arterial (vitează 3-5 m/s în aortă şi mult mai mare în 9

10 periferie; aprox m/s în artera radială). Fluxul sanguin are o viteză mult mai redusă (aprox. 1 m/s în aortă). Poate fi înregistrat pe sfigmogramă. Bibliografie selectivă şi sugestii de lectură suplimentară: Boron WF, Boulpaep EL (eds.). Medical Physiology. Elsevier (2017). Dhillon PS, Chowdhury RA, Patel PM, Jabr R, Momin AU, Vecht J, Gray R, Shipolini A, Fry CH, Peters NS. Relationship between connexin expression and gap-junction resistivity in human atrial myocardium. Circ Arrhythm Electrophysiol Apr;7(2): Guyton and Hall. Textbook of Medical Physiology. Elsevier (2016). Mohrman DE, Heller LJ. Cardiovascular physiology. McGrawHill, Lange Physiology Series (2010). Orăsan RI (ed.). Compendiu de fiziologie cardiovasculară. Edit. Med. Univ. Iuliu Haţieganu Cluj- Napoca (2017). Silbernagl S, Despopoulos A. Atlas color: fiziologie a omului. Callisto Bucureşti (2017). Silbernagl S, Lang F. Fiziopatologie: atlas color. Callisto Bucureşti (2011). Unglaub Silverthorn D. Human Physiology: an integrated approach. Pearson (2013). 10

GRAFURI NEORIENTATE. 1. Notiunea de graf neorientat

GRAFURI NEORIENTATE. 1. Notiunea de graf neorientat GRAFURI NEORIENTATE 1. Notiunea de graf neorientat Se numeşte graf neorientat o pereche ordonată de multimi notată G=(V, M) unde: V : este o multime finită şi nevidă, ale cărei elemente se numesc noduri