Fáze srdečního akčního potenciálu

Tlukot srdce je pravděpodobně spojen s fenoménem života silněji než jakýkoli jiný samostatný koncept nebo proces, a to jak lékařsky, tak metaforicky. Když lidé diskutují o neživých objektech nebo dokonce o abstraktních pojmech, používají výrazy jako „Její volební kampaň stále má puls “a„ Šance týmu na rovinu, když ztratil hvězdného hráče “k popisu, zda je dotyčná věc„ živá “nebo ne. A když pohotovostní zdravotnický personál narazí na padlou oběť, první věc, kterou zkontroluje, je, zda má oběť puls.

Důvod, proč srdce bije, je jednoduchý: elektřina. Stejně jako tolik věcí ve světě biologie však přesný a koordinovaný způsob, jakým elektrická aktivita pohání srdce vitální krev do tkání těla, 70krát za minutu, 100 000krát denně po celá desetiletí, je ve své podobě úžasně elegantní úkon. Všechno to začíná něčím, čemu se říká an akční potenciál, v tomto případě srdeční akční potenciál. Fyziologové rozdělili tuto událost do čtyř odlišných fází.

Buněčné membrány mají takzvaný elektrochemický gradient přes fosfolipidovou dvojvrstvu membrány. Tento gradient udržují proteinové „pumpy“ zabudované do membrány, které pohybují některé typy iontů (nabité částice) přes membránu v jednom směr, zatímco podobné „pumpy“ pohybují jinými typy iontů v opačném směru, což vede k situaci, kdy nabité částice „chtějí“ proudit v jednom směru poté, co byl dopraven do druhého, jako koule, která se stále „chce“ vrátit k vám, jak ji opakovaně vrháte přímo do vzduch. Mezi tyto ionty patří sodík (Na

Chcete-li získat představu o tom, jak je tento gradient udržován, představte si situaci, kdy se psi v ohrádce pohybují jedním směrem napříč a oplocení, zatímco kozy v sousedním kotci jsou přepravovány ve druhém, přičemž každý druh zvířete má v úmyslu dostat se zpět na místo, kde začal. Pokud jsou do kozí zóny přesunuty tři kozy za každé dva psy přesunuté do kozí zóny, pak kdokoli je za to zodpovědné udržování nerovnováhy savců přes plot, který je konstantní čas. Kozy a psi, kteří se snaží vrátit na svá oblíbená místa, jsou neustále „pumpováni“ ven. Tato analogie je nedokonalá, ale nabízí základní vysvětlení toho, jak buněčné membrány udržují elektrochemický gradient, nazývaný také membránový potenciál. Jak uvidíte, primární ionty účastnící se tohoto schématu jsou sodík a draslík.

An akční potenciál je reverzibilní změna tohoto membránového potenciálu vyplývající z "zvlnění" - aktivace proudy generované náhlou difúzí iontů přes membránu snižují elektrochemické vlastnosti spád. Jinými slovy, určité podmínky mohou narušit rovnováhu iontové nerovnováhy membránových iontů a umožnit iontům proudit ve velkém počtu ve směru, kterým „chtějí“ jít - jinými slovy proti čerpadlu. To vede k akčnímu potenciálu pohybujícímu se podél nervové buňky (nazývané také neuron) nebo srdeční buňky stejným obecným způsobem bude vlna cestovat podél struny držené téměř napnuté na obou koncích, pokud je jeden konec „švihnutím.“

Protože membrána obvykle nese gradient náboje, je považována za polarizovanou charakterizované různými extrémy (více negativně nabitých na jedné straně, pozitivněji nabitých na jiný). Akční potenciál se spouští depolarizací, která se volně promítá do dočasného zrušení z normální nerovnováhy náboje nebo obnovení rovnováhy.

Existuje pět fází srdečního akčního potenciálu, očíslovaných 0 až 4 (vědci někdy dostávají podivné nápady).

Fáze 0 je depolarizace membrány a otevření „rychlých“ (tj. vysokoprůtokových) sodíkových kanálů. Tok draslíku také klesá.

Fáze 1 je částečná repolarizace membrány díky rychlému snížení průchodu sodíkových iontů při zavírání rychlých sodíkových kanálů.

Fáze 2 je fáze plató, ve kterém pohyb iontů vápníku ven z buňky udržuje depolarizaci. Dostává svůj název, protože elektrický náboj přes membránu se v této fázi mění jen velmi málo.

Fáze 3 je repolarizace, protože sodíkové a vápníkové kanály se uzavírají a membránový potenciál se vrací na základní úroveň.

Fáze 4 vidí membránu v jejím takzvaném klidovém potenciálu −90 milivoltů (mV) v důsledku práce iontové pumpy Na + / K +. Hodnota je záporná, protože potenciál uvnitř buňky je záporný ve srovnání s potenciálem mimo ni, a ten je považován za nulový referenční rámec. Je to proto, že tři ionty sodíku jsou čerpány z buňky za každé dva ionty draslíku čerpané do buňky; připomeňme, že tyto ionty mají ekvivalentní náboj +1, takže tento systém vede k čistému odtoku nebo odtoku kladného náboje.

K čemu vlastně všechno toto čerpání iontů a narušení buněčné membrány vede? Před popisem toho, jak se elektrická aktivita v srdci proměňuje v srdeční rytmy, je užitečné prozkoumat sval, který tyto údery sám produkuje.

Srdeční (srdeční) sval je jedním ze tří druhů svalů v lidském těle. Další dva jsou kosterní svalstvo, které je pod dobrovolnou kontrolou (příklad: biceps nadloktí) a hladké sval, který není pod vědomou kontrolou (příklad: svaly ve stěnách vašich střev, které pohybují trávením potravy podél). Všechny typy svalů sdílejí řadu podobností, ale buňky srdečního svalu mají jedinečné vlastnosti, které slouží jedinečným potřebám jejich mateřského orgánu. Zaprvé je iniciace „tlučení“ srdce řízena speciálními srdečními myocyty neboli buňkami srdečního svalu, tzv. buňky kardiostimulátoru. Tyto buňky řídí tempo srdečního rytmu i při absenci vnějšího nervového vstupu, což je vlastnost zvaná autorhythmicity. To znamená, že i při absenci vstupu z nervového systému by srdce teoreticky mohlo stále bít, dokud byly přítomny elektrolyty (tj. Výše ​​uvedené ionty). Tempo srdečního rytmu - známé také jako tepová frekvence - se samozřejmě značně liší a k tomu dochází díky diferenciální vstup z řady zdrojů, včetně sympatického nervového systému, parasympatického nervového systému a hormony.

Také se nazývá srdeční sval myokard. Dodává se ve dvou typech: kontraktilní buňky myokardu a vodivé buňky myokardu. Jak jste možná předpokládali, kontraktilní buňky pracují na čerpání krve pod vlivem vodivých buněk, které dodávají signál ke kontrakci. 99 procent buněk myokardu je kontraktilní odrůdy a pouze 1 procento je věnováno vedení. I když tento poměr oprávněně ponechává většinu srdce k dispozici pro práci, znamená to také defekt v buňkách tvořících systém srdečního vedení může být pro orgán obtížné obejít pomocí alternativních vodivých cest, kterých existuje jen tak mnoho. Vodivé buňky jsou obecně mnohem menší než kontraktilní buňky, protože nepotřebují různé proteiny zapojené do kontrakce; musí se zapojit pouze do věrného provedení akčního potenciálu srdečního svalu.

Fáze 4 potenciálu buněk srdečního svalu se nazývá diastolický interval, protože toto období odpovídá diastole nebo intervalu mezi kontrakcemi srdečního svalu. Pokaždé, když uslyšíte nebo ucítíte bušení srdce, je to konec kontrakce srdce, která se nazývá systola. Čím rychleji vaše srdce bije, tím vyšší zlomek jeho kontrakčně-relaxačního cyklu tráví v systole, ale i když cvičíte úplně a tlačíte svou tepovou frekvenci na 200 vaše srdce je po většinu času stále v diastole, takže fáze 4 je nejdelší fází srdečního akčního potenciálu, která celkem trvá asi 300 milisekund (tři desetiny druhý). Zatímco probíhá akční potenciál, nelze ve stejné části srdeční buňky iniciovat žádné další akční potenciály membrána, která dává smysl - jakmile začne, potenciál by měl být schopen dokončit svou práci stimulace myokardu kontrakce.

Jak je uvedeno výše, během fáze 4 má elektrický potenciál přes membránu hodnotu asi -90 mV. Tato hodnota platí pro kontraktilní buňky; pro vedení buněk je blíže k -60 mV. Je zřejmé, že se nejedná o stabilní rovnovážnou hodnotu, jinak by srdce jednoduše nikdy nebilo vůbec. Místo toho, pokud signál sníží negativitu hodnoty přes kontraktilní buněčnou membránu na asi -65 mV, spustí se změny v membráně, které usnadní přívod iontů sodíku. Tento scénář představuje systém pozitivní zpětné vazby v tom, že narušení membrány, která tlačí na buňka ve směru hodnoty kladného náboje vyvolává změny, díky nimž je interiér ještě větší pozitivní. S proudem dovnitř sodíkových iontů skrz tyto napěťově řízené iontové kanály v buněčné membráně vstupuje myocyt do fáze 0 a úroveň napětí se blíží maximu svého akčního potenciálu asi +30 mV, což představuje celkovou odchylku napětí od fáze 4 asi 120 mV.

Fáze 2 akčního potenciálu se také nazývá fáze plató. Stejně jako fáze 4 představuje fázi, ve které je napětí přes membránu stabilní nebo téměř tak. Na rozdíl od případu ve fázi 4 k tomu však dochází ve fázi vyrovnávacích faktorů. První z nich sestává z dovnitř proudícího sodíku (příliv, který se po rychlém přílivu ve fázi 0 ne zcela zúžil na nulu) a dovnitř proudícího vápníku; druhá zahrnuje tři typy ven proudy usměrňovače (pomalý, střední a rychlý), všechny mají pohyb draslíku. Tento proud usměrňovače je to, co je nakonec zodpovědné za kontrakci srdečního svalu, protože tento odtok draslíku iniciuje a kaskáda, ve které se ionty vápníku váží na aktivní místa na buněčných kontraktilních proteinech (např. aktin, troponin) a přeměňují je na akce.

Fáze 2 končí, když přestane vnitřní tok vápníku a sodíku, zatímco vnější tok draslíku (proud usměrňovače) pokračuje, což tlačí buňku k repolarizaci.

Akční potenciál srdečních buněk se liší od akčních potenciálů v nervech různými způsoby. Za prvé, a co je nejdůležitější, je to mnohem delší. Jedná se v zásadě o bezpečnostní faktor: Protože je akční potenciál srdečních buněk delší, znamená to že období, ve kterém nastane nový akční potenciál, nazývané refrakterní období, je také delší. To je důležité, protože zajišťuje plynule se dotýkající srdce, i když pracuje maximální rychlostí. Obyčejné svalové buňky postrádají tuto vlastnost a mohou se tedy zapojit do tzv tetanické kontrakce, což vede ke křečím a podobně. Je nepohodlné, když se kosterní sval chová takto, ale bylo by smrtící, kdyby to udělal myokard.