LE LEGGI DELLA FISICA E LE FUNZIONI FISIOLOGICHE: -la circolazione -la filtrazione e l’osmo-filtrazione (parte delle diapo provengono da P. Montagna, Fisica delle Membrane, sul web, e da http://www.ips.it/scuola/concorso/seneca/sistcircol)
Per fare circolare il sangue e portare sostanza nutritive e ossigeno ai tessuti è necessario un sistema CARDIO-CIRCOLATORIO pompa sistema vascolare
La necessità di ‘depurare’ e ossigenare il sangue crea l’ulteriore necessità di due circoli separati, ossia di una circolazione SISTEMICA e di una circolazione POLMONARE. Nel regno animale sono presenti diverse soluzioni…..
SISTEMA CIRCOLATORIO-EVOLUZIONE I PORIFERI I Poriferi noti anche col nome di Spugne, sono animali sessili acquatici, soprattutto marini. Sono formati da più cellule, però sono completamente privi di tessuti e gli organi sono del tutto assenti. Sulla superficie del loro corpo si osserva un gran numero di piccoli fori, detti "pori inalanti Il loro SISTEMA CIRCOLATORIO ,pressocchè inesistente, è costituito da un continuo flusso d'acqua, che attraversa i pori e raggiunge la cavità interna dove le cellule flagellate trattengono. le sostanze nutritive Dopo di che l'acqua priva di sostanze fuoriesce dall'osculo, un'apertura apicale
SISTEMA CIRCOLATORIO-EVOLUZIONE I MOLLUSCHI Col termine MOLLUSCHI vengono indicate tutte quelle specie con corpo molle. Nei Molluschi l’apparato circolatorio è composto da un cuore con due atri, ai quali arriva il sangue ossigenato dalle branchie e dai polmoni, e da un ventricolo che pompa il sangue in cavità e lacune oppure in veri e propri vasi. Si tratta di una circolazione aperta ( il sangue non fluisce sempre entro vasi), detta anche vaso-lacunare; nel plasma si trova un pigmento respiratorio, l’enocianino, una porfirina contenente rame, che in forma ossigenata acquista colore azzurro.
SISTEMA CIRCOLATORIO EVOLUZIONE IL CUORE E LA CIRCOLAZIONE NEI PESCI Il semplicissimo cuore del merluzzo (e dei Teleostei ) si trova subito dietro la testa, ed è costituito da due sole cavità. Il sangue venoso, proveniente dal corpo, giunge al seno venoso; di là penetra nell’atrio, quindi nel ventricolo, che ha le pareti muscolari assai forti. Il ventricolo, contraendosi, spinge il sangue verso le branchie, dove si ossigena. Divenuto arterioso, esso va direttamente a irrorare ogni parte del corpo, senza ripassare dal cuore per ricevere una nuova spinta. Come si vede, c’è una circolazione "semplice", nella quale il sangue passa una sola volta dal cuore, e non due come, ad esempio, nei mammiferi. La pressione del sangue è appena sufficiente per fargli percorrere l’intero sistema circolatorio e non scende mai a 0, tuttavia la circolazione sanguigna risulta troppo lenta per permettere un efficiente sistema di termoregolazione (i Pesci sono vertebrati eterotermi ).
SISTEMA CIRCOLATORIO-EVOLUZIONE L’APPARATO CIRCOLATORIO NEGLI ANFIBI Naturalmente, la circolazione negli Anfibi si svolge in modo diverso, a seconda che l’animale si trovi allo stato larvale oppure adulto. Il cuore, in ogni modo, ha sempre la stessa struttura, che è molto semplice: esistono due orecchiette e un solo ventricolo. Nell’orecchietta destra giunge il sangue venoso, in quella sinistra il sangue arterioso portato dalle vene polmonari; le due orecchiette poi sboccano nell’unico ventricolo. Tremenda mescolanza di sangue, dunque? Sì e no, perché la natura, ormai lo sappiamo, è una grande previdente e ha adottato un "trucco" molto semplice: le contrazioni delle due orecchiette non sono contemporanee, ma sfasate. Prima si contrae l’orecchietta sinistra che spinge il sangue arterioso nel ventricolo; da qui il sangue viene spinto nel "tronco arterioso", che è l’aorta degli Anfibi.
Subito dopo si contrae l’orecchietta destra , la quale spinge il sangue venoso nel ventricolo; da questo viene poi spinto nell’ "arteria polmonare"; questo succede perché il cuore è conformato in modo tale ( con setti interni ) che il sangue non passa dalla parte sinistra del ventricolo nella parte opposta e viceversa. Negli Anfibi esiste un unico tronco arterioso, che è praticamente diviso, cosicché l’arteria polmonare e l’aorta rimangono quasi del tutto separate: diciamo quasi perché esse sono in comunicazione per mezzo di un piccolo condotto, il dotto di Botallo. Naturalmente, nelle larve di Anfibio e negli adulti che hanno conservato le branchie ( cioè i protei, le sirene, le salamandre cieche e tigri, talvolta i tritoni ), dal tronco arterioso si dipartono le arterie branchiali, che portano il sangue alle branchie, dove si carica di ossigeno.Dalle branchie esso poi confluisce nell’aorta. La circolazione negli anfibi è quindi doppia ma incompleta; incompleta perché nell’unico ventricolo avviene la mescolanza del sangue arterioso e di quello venoso.
I RETTILI : UNA STRANA CIRCOLAZIONE SISTEMA CIRCOLATORIO-EVOLUZIONE I RETTILI : UNA STRANA CIRCOLAZIONE Una caratteristica tipica dei rettili è quella di avere il cuore diviso solo in tre cavità: due orecchiette e un ventricolo. Vi sono però due archi aortici. Il cuore dei sauri, tartarughe e serpenti è provvisto di due orecchiette e un solo ventricolo, che due mezze pareti dividono in modo incompleto. Queste pareti limitano ma non impediscono del tutto la mescolanza del sangue. Dalla porzione sinistra del ventricolo parte l’arco aortico di destra, dal quale si originano le carotidi; dalla porzione destra partono l’arco aortico di sinistra e l’arteria polmonare, che poi si biforca.
Il cuore dei coccodrilli, invece, è più evoluto: il ventricolo è completamente diviso in due parti, come nei Mammiferi. Il sangue ossigenato non si mescola più con quello carico di anidride carbonica (venoso) nel ventricolo. La circolazione sembra perfetta; ma ci sono sempre i due archi aortici, uno dei quali parte dal ventricolo destro e l’altro dal sinistro. Quindi il sangue venoso torna in circolazione attraverso l’aorta. Però nei coccodrilli l’arco sinistro in cui passa il sangue venoso è più stretto dell’altro; inoltre tra i due archi esiste una comunicazione, il forame di Panizza, che permette al sangue ossigenato di passare dall’arco destro al sinistro, e in circolazione entra prevalentemente sangue ossigenato. Proprio in conseguenza della doppia imperfezione del loro apparato circolatorio e respiratorio, i Rettili non dispongono mai di una quantità di ossigeno sufficiente per approvvigionare bene i loro tessuti. Per questo essi sono animali a "sangue freddo"; la temperatura del corpo è variabile e dipende da quella dell’ambiente. Di solito non riesce che ad elevarsi di qualche grado sopra la temperatura ambiente; solo alcune specie (come il boa e il pitone ) riescono ad aumentare il calore del loro corpo durante il periodo della cova delle uova.
LA CIRCOLAZIONE SANGUIGNA NEGLI UCCELLI SISTEMA CIRCOLATORIO-EVOLUZIONE LA CIRCOLAZIONE SANGUIGNA NEGLI UCCELLI Il cuore è diviso in quattro cavità: atrio destro e sinistro, ventricolo destro e sinistro. Poiché la parte destra del cuore, attraversata dal sangue venoso, è separata completamente dalla parte sinistra ove circola il sangue arterioso, il sangue venoso non si mescola con quello arterioso. Tale tipo di circolazione sanguigna è detta doppia e completa. Con gli Uccelli compare, per la prima volta il fenomeno dell’omeotermia; al pari dei Mammiferi, sono animali omeotermi, a "sangue caldo" e capaci perciò di mantenere costante la loro temperatura corporea indipendentemente e talora sensibilmente al di sopra di quella dell’ambiente.
SISTEMA CIRCOLATORIO-EVOLUZIONE IL CUORE E LA CIRCOLAZIONE NEI MAMMIFERI Il cuore è quadriloculare l’ atrio e ventricolo destro tra loro comunicanti, atrio e ventricolo sinistro, anche comunicanti tra loro con netta separazione della parte destra dalla sinistra; per ciò la circolazione è doppia e completa. Respirano per polmoni. Sono animali omeotermi. http://www.ips.it/scuola/concorso/seneca/sistcircol
IL CUORE UMANO Sangue ai tessuti Aorta Sangue dai tessuti Sangue ai polmoni Art polm Atrio sin Sangue dai polmoni Ventricolo sin Ventricolo dx Circolazione DOPPIA e COMPLETA
LA POMPA Il CUORE è la pompa che compie LAVORO per vincere gli attriti viscosi del sangue. Trattandosi di una struttura muscolare essa: * è attivata da un impulso elettrico (potenziale di azione) * può contrarsi in modo ISOTONICO e ISOMETRICO ISOTONICO: il muscolo si accorcia (fa LAVORO esterno) ISOMETRICO: il muscolo sviluppa tensione contro un carico esterno senza variare la lunghezza
LAVORO CARDIACO: comprende quello del cuore ‘sinistro’ e ‘destro’, ma il primo è preponderante. Calcoliamo quest’ultimo: Fase 1- CONTRAZIONE ISOMETRICA: L = 0 Fase 2-CONTRAZIONE ISOTONICA: DV= Vfin-Viniz, L=pv* DV Fase 3-RILASSAMENTO ISOMETRICO: L = 0 Fase 4- RILASSAMENTO ISOTONICO: Pa = 0, L = 0 poiché pv = 100 mmHg, DV = 60 cm3 per ogni pulsazione L = 100/760 * 105 * 60 * 10-6 = 0.8 J
Aggiungendo il contributo del cuore destro, la cui pressione ventricolare è circa 1/5 di quella del cuore sinistro, e considerando che (ovviamente) la gittata è costante: Ltot = 0.8 + 0.16 = 1 J Se consideriamo una frequenza media di circa 60 battiti/min, la potenza sarà pari a: P = L/t = 1 J/1 s = 1 W (watt)
In definitiva: il lavoro del cuore A riposo vale circa 1 J Sotto sforzo: DV=200 cm3, pv=160 mmHg vale circa 4.2 J
Diamo i numeri…. Calcolare il lavoro cardiaco per pulsazione in un soggetto sotto sforzo in cui la frequenza cardiaca è 180 battiti/minuto, il volume pulsatorio è di 160 cm3 e la pressione media ventricolare vale 150 mmHg. Determinare anche la potenza cardiaca media. L = P DV = 150 133 Pa * 160 10 -6 m 2 = 3.2 J P = L / t = L * HR = 3.2 J * 180 / 60 s -1 = 9.6 W
Due pompe parallele…. Di cui quella sinistra ad alta pressione e quella destra a bassa pressione (ca 1/5) ( fig tratta da Borsa & Scannicchio, testo adottato)
Che lavorano in serie…..producendo la medesima portata ( fig tratta da Borsa & Scannicchio, testo adottato)
La pressione esercitata dal cuore sul sangue è necessaria per farlo circolare nei vasi e vincerne le resistenze:
Si definisce RESISTENZA idrodinamica di un circuito la quantità R = ( P in – P fin ) / Q ossia il rapporto tra la ‘caduta di pressione’ necessaria per generare la portata Q e la portata stessa. Note: 1) grande resistenza significa che c’è grande dissipazione. 2) c’è una perfetta analogia con la resistenza elettrica definita dalla prima legge di Ohm: R = ( V in – Vout) / I
Non vale tuttavia l’analogia con la seconda legge di Ohm, che correla la resistenza R con la lunghezza l, la sezione S e la resisti- vità r del materiale di cui è fatto un filamento: R= r l / S Nel caso fluidodinamico la resistenza viene a dipendere dall’ INVERSO DEL QUADRATO della sezione del vaso, Mentre la resistività dipende dalla viscosità del fluido: R = 8 p h l / S 2 ( formula di Poiseuille)
Ci sono implicazioni importanti: -la resistenza del ‘grande circolo’ è maggiore di un fattore di circa 5 rispetto a quella del ‘circolo polmonare’ perché è circa 5 volte più lungo - ecco perché il ventricolo sinistro genera una pressione 5 volte maggiore. -è possibile regolare la resistenza modificando il calibro dei vasi (vasoregolazione): se si raddoppia la sezione la resistenza si riduce ad un quarto, dunque a parità di pressione la portata diventa 4 volte maggiore!
es: sia r il raggio di un’arteria in condizioni normali e r* quello sotto sforzo. Per la legge di Poiseuille sappiamo che: R*/R = (r/r*)4 se ad es si ha una vasodilatazione del 10 %: r*/r=1.1 allora R*/R = (1/1.1)4 = 1/1.46 dunque la resistenza diminuisce del 46% !
Diamo i numeri…. Studi su persone ipertese hanno dimostrato che la portata sanguigna è pressoché normale, calcolare quale aumento di pressione viene indotto da una restrizione del lume dei vasi all’ 80% del valore normale. Se r’= 0.8* r, allora R’ / R = (1/0.8) 4 = 2.44. Assunta una p media di 90 mmHg, si ottiene: Dp’ = R’ / R Dp = 2.44 90 = 220 mmHg
Infine, è importantissima la viscosità del sangue. Il sangue è una sospensione di cellule in una soluzione acquosa di sali e molecole organiche (7% in peso) detta PLASMA. Il contenuto in sali ne definisce le proprietà OSMOTICHE. Il PLASMA è sostanzialmente un FLUIDO OMOGENEO, dotato di normale viscosità (circa una volta e mezza quella dell’acqua). Il SANGUE INTERO NON E’ un liquido omogeneo. Esso contiene: ERITROCITI ( 5 106 /mm3) LEUCICITI ( 5-8 103 /mm3) PIASTRINE ( 250-500 103 /mm3)
La sua VISCOSITA’ dipende soprattutto: * dalla TEMPERATURA (aumenta nei congelamenti,…) * dall’ EMATOCRITO
Si definisce EMATOCRITO il volume percentuale di sangue occupato dagli eritrociti. Di norma HT vale circa il 40%. Viscosità relativa 5 HT (%) 20 40 60 80 Se HT = 40%, la viscosità del sangue nel circolo è 5 volte quella dell’acqua, dunque la pressione che il cuore deve esercitare è circa 5 volte maggiore…
Come è possibile che il sangue circoli in vasi piccolissimi, quali i capillari ? La soluzione consiste nel loro arrangiamento ‘in parallelo’.
-----WWWWWWWWWWWWW----- RESISTENZE IN SERIE -----WWWWWWWWWWWWW----- R1 R2 pi-pf= Rtot Q = pi-P +P-pf = R1 Q + R2 Q = (R1+R2) Q dunque Rtot= R1 + R2 WWWWWW --- ----- RESISTENZE IN PARALLELO Q = (pi-pf)/Rtot = Q1 + Q2 = (pi-pf)/R1 + (pi-pf)/R2 dunque 1/Rtot = 1/ R1 + 1/ R2
al crescere di N la resistenza totale diminuisce! Perché i piccoli vasi (che hanno maggiore resistenza) sono organizzati ‘in parallelo’? Se ci sono N vasi di uguale resistenza r 1 / Rtot = N / r dunque Rtot = r /N al crescere di N la resistenza totale diminuisce!
La regolazione delle resistenze del microcircolo ( ad es. in un muscolo) avviene tramite il meccanismo del ‘reclutamento’: nel muscolo inattivo la maggior parte dei capillari è chiusa, mentre quando si inizia l’attività, ed occorre aumentare la portata sanguigna, molti capillari si aprono per abbattere la resistenza complessiva del circuito.
L’ accoppiamento POMPA - CIRCUITO
Quando la differenza di pressione, anziché riguardare i due estremi di un vaso , si realizza a cavallo di una membrana, si parla di processo di filtrazione.
Filtrazione JV = nQ = - nR4 p = -Lpp 8 x Differenza di pressione tra i 2 compartimenti flusso globale di soluzione da p maggiore a p minore Moto laminare Poiseuille: Q = - R4 p per ciascun poro 8 x (n=NA/A pori) JV = nQ = - nR4 p = -Lpp 8 x LP = coeff. di filtrazione
LA FILTRAZIONE nei CAPILLARI Nei capillari la portata è in realtà regolata sia dalla pressione sia dall’osmosi per le sostanze cui la parete non è permeabile, si parla di osmo-filtrazione. La legge che lega il flusso alla differenza di pressione idrostatica Dp e osmotica Dp è data da: Q = C S (Dp - s Dp ) dove C è la conduttanza idraulica ( ossia l’inverso della resi- Stenza per unità di sezione ), S la superficie filtrante e s il coeff di riflessione delle sostanze osmoticamente attive.
Osmosi + Filtrazione JV = -Lp (p- p) Due soluzioni separate da una membrana semipermeabile: JS = 0 JV 0 Il solvente diffonde verso il compartimento a C maggiore (p maggiore) per riequilibrare le concentrazioni (di soluto), cioè in senso opposto al gradiente di pressione idraulica: JV = -Lp (p- p)
Q = C S (Dp - s Dp ) È responsabile del È responsabile della richiamo di liquidi È responsabile della diffusione di molecole e liquidi
Modello di Starling dei capillari P cap= 28 mmHg Pcap=45 mmHg Pcap=15 mmHg Pint=2 mmhg P int= 5 mmHg
Estremità arteriosa del capillare: Pcap – P int = 43 mmHg Pcap – P int = 23 mmHg Ma Q = P – P = 20 mmHg Prevalgono le forze che tendono a spingere il liquido fuori dal capillare Estremità venosa del capillare: Pcap – P int = 13 mmHg Pcap – P int = 23 mmHg Ma Q = P – P = -10 mmHg Prevalgono le forze che tendono a richiamare il liquido nel capillare
Come risultato, una piccola parte del volume del plasma che entra nei capillari filtra nello spazio interstiziale: la maggioranza viene riassorbita, il restante viene drenato dai vasi linfatici. Quando il meccanismo non funziona correttamente siamo in presenza di EDEMA. Ci sono dunque tre possibili cause di edema: aumento della pressione idrostatica capillare (es aumento della pressione venosa per ostruzione, ecc.) -diminuzione della pressione colloidosmotica del plasma (es: perdita di proteine) aumento della permeabilità di parete (es: ustioni) oltre ad eventuali problemi del circolo linfatico
Il sistema renale utilizza lo stesso principio per depurare il plasma: nel glomerulo parte del plasma viene espulso, nel tubulo viene riassorbito. Il liquido di scarto viene drenato nel sistema urinario. Diamo i numeri…. Nelle 24 ore i reni filtrano circa 180 litri di liquido. Poiché la diuresi quotidiana è di circa 1.8 l, significa che: con le urine viene espulso solo l’ 1% di questo volume, i restanti 178.2 litri tornano in circolo.