Faser af hjertets handlingspotentiale

Hjerteslag er sandsynligvis stærkere forbundet med fænomenet liv end noget andet enkelt koncept eller proces, både medicinsk og metaforisk. Når folk diskuterer livløse objekter eller endda abstrakte begreber, bruger de udtryk som "Hendes valgkampagne har stadig en puls "og" Holdets chancer flade linjer, da det mistede sin stjernespiller "for at beskrive, om den pågældende ting er" i live "eller ikke. Og når akutmedicinsk personale støder på et faldet offer, er det første, de kontrollerer, om offeret har en puls.

Årsagen til, at et hjerte slår, er enkel: elektricitet. Ligesom så mange ting i biologiverdenen er den nøjagtige og koordinerede måde, som elektrisk aktivitet styrker hjertet på at pumpe vital blod mod kroppens væv, cirka 70 gange i minuttet, 100.000 gange om dagen i årtier i træk, er vidunderligt elegant i sin operation. Det hele starter med noget, der kaldes en handlingspotentiale, i dette tilfælde et hjertehandlingspotentiale. Fysiologer har delt denne begivenhed i fire forskellige faser.

Cellemembraner har det, der er kendt som en elektrokemisk gradient på tværs af phospholipid-dobbeltlaget i membranen. Denne gradient opretholdes af protein "pumper" indlejret i membranen, der bevæger nogle typer ioner (ladede partikler) hen over membranen i en retning, mens lignende "pumper" bevæger andre typer ioner i den modsatte retning, hvilket fører til en situation, hvor ladede partikler "ønsker" at strømme i den ene retning efter at være blevet skyllet i den anden, som en kugle, der hele tiden "ønsker" at vende tilbage til dig, når du gentagne gange smider den lige ind i luft. Disse ioner inkluderer natrium (Na⁺), kalium (K⁺) og calcium (Ca²⁺). En calciumion har en nettopositiv ladning på to enheder, det dobbelte af enten en natriumion eller en kaliumion.

For at få en fornemmelse af, hvordan denne gradient opretholdes, forestil dig en situation, hvor hunde i en legeplads bevæges i en retning over en hegn, mens geder i en tilstødende stald bæres i den anden, hvor hver type dyr har til hensigt at komme tilbage til det sted, hvor det startede. Hvis tre geder flyttes ind i hundezonen for hver to hunde, der flyttes ind i gedezonen, så hvem som helst er ansvarlig for dette opretholder en ubalance i pattedyr over hegnet, der er konstant over tid. Gederne og hundene, der forsøger at vende tilbage til deres foretrukne steder, pumpes løbende ud udenfor. Denne analogi er ufuldkommen, men giver en grundlæggende forklaring på, hvordan cellemembraner opretholder en elektrokemisk gradient, også kaldet et membranpotentiale. Som du vil se, er de primære ioner, der deltager i denne ordning, natrium og kalium.

En handlingspotentiale er en reversibel ændring af dette membranpotentiale som følge af en "krusningseffekt" - en aktivering af strømme genereret af den pludselige diffusion af ioner over membranen sænker det elektrokemiske stof gradient. Med andre ord kan visse forhold forstyrre ubalancen i steady-state-membranionerne og lade ioner strømme i stort antal i den retning, de "ønsker" at gå - med andre ord mod pumpen. Dette fører til et handlingspotentiale, der bevæger sig langs en nervecelle (også kaldet en neuron) eller hjertecelle ind den samme generelle måde, hvorpå en bølge bevæger sig langs en streng, der holdes næsten stram i begge ender, hvis den ene ende er "flikkede."

Fordi membranen normalt bærer en ladningsgradient, betragtes den som polariseret, hvilket betyder præget af forskellige ekstremer (mere negativt ladet på den ene side, mere positivt ladet på den anden). Et handlingspotentiale udløses af depolarisering, som løst oversættes til en midlertidig annullering af den normale ladningsubalance eller en gendannelse af ligevægt.

Der er fem faser med kardiale aktionspotentialer, nummereret 0 til 4 (forskere får undertiden mærkelige ideer).

Fase 0 er depolarisering af membranen og åbningen af ​​"hurtige" (dvs. højstrøms) natriumkanaler. Kaliumflowet falder også.

Fase 1 er delvis repolarisering af membranen takket være et hurtigt fald i natriumionpassagen, når de hurtige natriumkanaler lukker.

Fase 2 er plateau fase, hvor bevægelsen af ​​calciumioner ud af cellen opretholder depolarisering. Det får sit navn, fordi den elektriske ladning over membranen ændrer sig meget lidt i denne fase.

Fase 3 er repolarisering, da natrium- og calciumkanaler lukkes, og membranpotentialet vender tilbage til dets basisniveau.

Fase 4 ser membranen ved sit såkaldte hvilepotentiale på -90 millivolt (mV) som et resultat af arbejdet med Na + / K + ionpumpen. Værdien er negativ, fordi potentialet inde i cellen er negativt sammenlignet med potentialet uden for det, og sidstnævnte behandles som nul referenceramme. Dette skyldes, at der pumpes tre natriumioner ud af cellen for hver to kaliumioner, der pumpes ind i cellen; husk at disse ioner har en ækvivalent ladning på +1, så dette system resulterer i en nettoudstrømning eller udstrømning af positiv ladning.

Så hvad fører al denne ionpumpe og cellemembranforstyrrelse faktisk til? Før vi beskriver, hvordan den elektriske aktivitet i hjertet oversættes til hjerteslag, er det nyttigt at undersøge den muskel, der producerer disse slag selv.

Hjerte (hjerte) muskler er en af ​​tre slags muskler i menneskekroppen. De to andre er skeletmuskler, som er under frivillig kontrol (eksempel: biceps på dine overarme) og glatte muskel, som ikke er under bevidst kontrol (eksempel: musklerne i tarmvæggene, der bevæger sig ved at fordøje mad hen ad). Alle typer muskler deler en række ligheder, men hjertemuskelceller har unikke egenskaber til at tjene de unikke behov hos deres forældreorgan. For det første styres initieringen af ​​"hjerteslag" af specielle hjerte-myocytter eller hjertemuskelceller, kaldet pacemakerceller. Disse celler styrer tempoet i hjerterytmen, selv i fravær af ekstern nerveindgang, en egenskab der kaldes autorytmicitet. Dette betyder, at selv i fravær af input fra nervesystemet kunne hjertet i teorien stadig slå så længe elektrolytter (dvs. de førnævnte ioner) var til stede. Selvfølgelig varierer tempoet i hjerterytmen - også kendt som pulsfrekvensen - betydeligt, og dette sker takket være differentiel input fra en række kilder, herunder det sympatiske nervesystem, det parasympatiske nervesystem og hormoner.

Hjertemuskel kaldes også myokardium. Det findes i to typer: myokardiale kontraktile celler og myokardiale ledende celler. Som du måske har antaget, udfører de kontraktile celler arbejdet med at pumpe blod under indflydelse af de ledende celler, der afgiver signalet til at trække sig sammen. 99 procent af myokardiecellerne er af den kontraktile sort, og kun 1 procent er dedikeret til ledning. Mens dette forhold med rette efterlader det meste af hjertet til rådighed til at udføre arbejde, betyder det også, at en defekt i cellerne, der danner hjerteledningssystem kan være vanskeligt for organet at omgå ved hjælp af alternative ledningsveje, hvoraf der kun er mange. De ledende celler er generelt meget mindre end de kontraktile celler, fordi de ikke har noget behov for de forskellige proteiner, der er involveret i sammentrækning; de behøver kun at være involveret i trofast udførelse af hjertemuskelens handlingspotentiale.

Fase 4 af hjertemuskelcellepotentialet kaldes det diastoliske interval, fordi denne periode svarer til diastol eller intervallet mellem sammentrækninger af hjertemusklen. Hver gang du hører eller mærker hjerteslagets dunk, er dette slutningen på hjertets sammentrækning, som som kaldet systole. Jo hurtigere dit hjerte slår, jo højere en brøkdel af dets sammentrækningsafslapningscyklus bruger det i systole, men selv når du træner all-out og skubber din puls til 200 rækkevidde, dit hjerte er stadig i diastole det meste af tiden, hvilket gør fase 4 til den længste fase af hjertehandlingspotentialet, som i alt varer ca. 300 millisekunder (tre tiendedele af en sekund). Mens et handlingspotentiale er i gang, kan der ikke initieres andre handlingspotentialer i den samme del af hjertecellen membran, hvilket giver mening - når et potentiale er begyndt, skal det være i stand til at afslutte sit job med at stimulere et myokardie sammentrækning.

Som nævnt ovenfor har det elektriske potentiale over membranen i fase 4 en værdi på ca. -90 mV. Denne værdi gælder for kontraktile celler; til ledning af celler er den tættere på -60 mV. Det er klart, at dette ikke er en stabil ligevægt, ellers ville hjertet simpelthen aldrig slå overhovedet. I stedet for, hvis et signal sænker negativiteten af ​​værdien over den kontraktile cellemembran til ca. -65 mV, udløser dette ændringer i membranen, der letter natriumiontilstrømning. Dette scenario repræsenterer et positivt feedback-system ved, at en forstyrrelse af membranen, der skubber celle i retning af en positiv ladningsværdi skaber ændringer, der gør interiøret endnu mere positiv. Med det hastige indad af natriumioner gennem disse spændingsstyrede ionkanaler i cellemembranen går myocytten ind i fase 0, og spændingsniveauet nærmer sig dets maksimale virkningspotentiale på ca. +30 mV, hvilket repræsenterer en samlet spændingsudflugt fra fase 4 på ca. 120 mV.

Fase 2 af handlingspotentialet kaldes også plateau-fasen. Ligesom fase 4 repræsenterer den en fase, hvor spændingen over membranen er stabil, eller næsten så. I modsætning til tilfældet i fase 4 sker dette imidlertid i fasen med modvægtningsfaktorer. Den første af disse består af indstrømmende natrium (tilstrømningen, som ikke helt er tilspidset til nul efter den hurtige tilstrømning i fase 0) og indadstrømmende calcium; den anden inkluderer tre typer udad ensretterstrømme (langsom, mellemliggende og hurtig), som alle har kaliumbevægelse. Denne ensretterstrøm er det, der i sidste ende er ansvarlig for sammentrækningen af ​​hjertemusklen, da denne kaliumudstrømning initierer en kaskade, hvor calciumioner binder til aktive steder på cellulære kontraktile proteiner (fx actin, troponin) og cajole dem i handling.

Fase 2 slutter, når den indadgående strøm af calcium og natrium ophører, mens den udadgående strøm af kalium (ensretterstrømmen) fortsætter og skubber cellen mod repolarisering.

Hjertecellens handlingspotentiale adskiller sig fra handlingspotentialerne i nerverne på en række forskellige måder. For det første og vigtigst er det meget længere. Dette er i det væsentlige en sikkerhedsfaktor: Da hjertecellens handlingspotentiale er længere, betyder det at den periode, hvor et nyt handlingspotentiale opstår, kaldet ildfast periode, også er længere. Dette er vigtigt, fordi det sikrer et glat kontaktende hjerte, selv når det fungerer ved maksimal hastighed. Almindelige muskelceller mangler denne egenskab og kan således engagere sig i det, der kaldes tetaniske sammentrækninger, hvilket fører til kramper og lignende. Det er ubelejligt, når skeletmuskel opfører sig sådan, men det ville være dødbringende, hvis myokardiet gjorde det samme.