Phasen des kardialen Aktionspotentials

Das Schlagen des Herzens ist wahrscheinlich stärker mit dem Phänomen des Lebens verbunden als jedes andere einzelne Konzept oder Verfahren, sowohl medizinisch als auch metaphorisch. Wenn über leblose Gegenstände oder gar abstrakte Konzepte diskutiert wird, verwendet man Begriffe wie "Ihr Wahlkampf hat noch Puls" und "Die Chancen des Teams stagnierten, als es seinen Starspieler verlor", um zu beschreiben, ob das fragliche Ding "lebendig" ist oder nicht. Und wenn Rettungskräfte auf einen Verunfallten stoßen, prüfen sie zunächst, ob der Verunfallte einen Puls hat.

Der Grund, warum ein Herz schlägt, ist einfach: Strom. Wie bei so vielen Dingen in der Welt der Biologie ist jedoch die präzise und koordinierte Art und Weise, wie elektrische Aktivität das Herz zum Pumpen antreibt lebenswichtiges Blut in das Gewebe des Körpers, etwa 70 Mal pro Minute, 100.000 Mal pro Tag über Jahrzehnte hinweg, ist in seiner Form wunderbar elegant Operation. Alles beginnt mit etwas namens an Aktionspotential, in diesem Fall ein kardiales Aktionspotential. Physiologen haben dieses Ereignis in vier verschiedene Phasen unterteilt.

Zellmembranen weisen einen sogenannten elektrochemischen Gradienten über die Phospholipid-Doppelschicht der Membran auf. Dieser Gradient wird durch in die Membran eingebettete Protein-"Pumpen" aufrechterhalten, die einige Arten von Ionen (geladene Partikel) auf einmal durch die Membran bewegen Richtung, während ähnliche "Pumpen" andere Arten von Ionen in die entgegengesetzte Richtung bewegen, was zu einer Situation führt, in der geladene Teilchen "fließen" wollen in eine Richtung, nachdem er in die andere geschoben wurde, wie ein Ball, der immer wieder zu dir "will", wenn du ihn wiederholt direkt in die Luft. Zu diesen Ionen gehört Natrium (Na⁺), Kalium (K⁺) und Kalzium (Ca²⁺). Ein Calcium-Ion hat eine positive Nettoladung von zwei Einheiten, das Doppelte eines Natrium- oder Kalium-Ions.

Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie dieser Gradient aufrechterhalten wird, stellen Sie sich eine Situation vor, in der Hunde in einem Laufstall in eine Richtung über einen Laufstall bewegt werden Zaun, während Ziegen in einem benachbarten Gehege in dem anderen getragen werden, wobei jede Tierart darauf abzielt, an die Stelle zurückzukehren, an der sie sich befindet gestartet. Wenn auf zwei in die Ziegenzone verlegte Hunde drei Ziegen in die Hundezone verlegt werden, wer auch immer ist dafür verantwortlich, dass ein Säugetier-Ungleichgewicht über den Zaun hinweg aufrechterhalten wird, das ständig über Zeit. Die Ziegen und Hunde, die versuchen, an ihre bevorzugten Plätze zurückzukehren, werden ständig nach draußen "gepumpt". Diese Analogie ist unvollkommen, bietet aber eine grundlegende Erklärung dafür, wie Zellmembranen einen elektrochemischen Gradienten, auch Membranpotential genannt, aufrechterhalten. Wie Sie sehen werden, sind die primären Ionen, die an diesem Schema teilnehmen, Natrium und Kalium.

Ein Aktionspotential ist eine reversible Änderung dieses Membranpotentials durch einen "Welleneffekt" – eine Aktivierung von Ströme, die durch die plötzliche Diffusion von Ionen durch die Membran erzeugt werden, senken die elektrochemische Gradient. Mit anderen Worten, bestimmte Bedingungen können das stationäre Membran-Ionen-Ungleichgewicht stören und Ionen in großer Zahl in die Richtung fließen lassen, in die sie "wollen", also gegen die Pumpe. Dies führt dazu, dass sich ein Aktionspotential entlang einer Nervenzelle (auch Neuron genannt) oder Herzzelle bewegt die gleiche allgemeine Art und Weise, wie sich eine Welle entlang einer Schnur bewegt, die an beiden Enden fast gespannt ist, wenn ein Ende "geflickt."

Da die Membran normalerweise einen Ladungsgradienten trägt, gilt sie als polarisiert, d gekennzeichnet durch unterschiedliche Extreme (auf einer Seite stärker negativ geladen, auf einer stärker positiv geladen) das andere). Ein Aktionspotential wird durch Depolarisation ausgelöst, was sich grob in eine vorübergehende Aufhebung des normalen Ladungsungleichgewichts oder eine Wiederherstellung des Gleichgewichts übersetzt.

Es gibt fünf kardiale Aktionspotentialphasen, die von 0 bis 4 nummeriert sind (Wissenschaftler kommen manchmal seltsame Ideen).

Phase 0 ist die Depolarisation der Membran und das Öffnen von "schnellen" (d. h. High-Flow) Natriumkanälen. Auch der Kaliumfluss nimmt ab.

Phase 1 ist eine teilweise Repolarisation der Membran dank einer schnellen Abnahme des Natriumionendurchgangs, wenn sich die schnellen Natriumkanäle schließen.

Phase 2 ist der Plateau-Phase, bei dem die Bewegung von Calciumionen aus der Zelle die Depolarisation aufrechterhält. Es hat seinen Namen, weil sich die elektrische Ladung über die Membran in dieser Phase nur sehr wenig ändert.

Phase 3 ist Repolarisation, da sich Natrium- und Calciumkanäle schließen und das Membranpotential auf sein Ausgangsniveau zurückkehrt.

Phase 4 sieht die Membran aufgrund der Arbeit der Na+/K+-Ionenpumpe auf ihrem sogenannten Ruhepotential von –90 Millivolt (mV). Der Wert ist negativ, da das Potenzial innerhalb der Zelle im Vergleich zum Potenzial außerhalb der Zelle negativ ist und letzteres als Nullbezugssystem behandelt wird. Dies liegt daran, dass für jeweils zwei Kaliumionen, die in die Zelle gepumpt werden, drei Natriumionen aus der Zelle gepumpt werden; Denken Sie daran, dass diese Ionen eine äquivalente Ladung von +1 haben, so dass dieses System zu einem Netto-Ausfluss oder -Ausfluss positiver Ladung führt.

Wozu führt dieses ganze Ionenpumpen und Zellmembran-Zerbrechen eigentlich? Bevor Sie beschreiben, wie sich die elektrische Aktivität im Herzen in Herzschläge niederschlägt, ist es hilfreich, den Muskel zu untersuchen, der diese Schläge selbst erzeugt.

Der Herzmuskel (Herzmuskel) ist eine von drei Muskelarten des menschlichen Körpers. Die anderen beiden sind die Skelettmuskulatur, die unter freiwilliger Kontrolle steht (Beispiel: der Bizeps Ihrer Oberarme) und glatt and Muskel, der nicht unter bewusster Kontrolle steht (Beispiel: die Muskeln in den Darmwänden, die die Nahrung verdauen.) entlang). Alle Muskeltypen haben eine Reihe von Ähnlichkeiten, aber Herzmuskelzellen haben einzigartige Eigenschaften, um die einzigartigen Bedürfnisse ihres Mutterorgans zu erfüllen. Zum einen wird die Initiierung des „Schlagens“ des Herzens durch spezielle Herzmuskelzellen oder Herzmuskelzellen, genannt Schrittmacherzellen. Diese Zellen steuern den Herzschlag auch ohne externe Nerveneingaben, eine Eigenschaft, die als bezeichnet wird Autorhythmik. Dies bedeutet, dass das Herz auch ohne Input vom Nervensystem theoretisch noch schlagen könnte, solange Elektrolyte (d. h. die oben genannten Ionen) vorhanden waren. Natürlich variiert das Tempo des Herzschlags – auch Pulsfrequenz genannt – erheblich, und dies geschieht dank unterschiedlichen Input aus einer Reihe von Quellen, einschließlich des sympathischen Nervensystems, des parasympathischen Nervensystems und Hormone.

Herzmuskel wird auch genannt Myokard. Es gibt zwei Arten: myokardiale kontraktile Zellen und myokardiale leitende Zellen. Wie Sie vielleicht vermutet haben, pumpen die kontraktilen Zellen Blut unter dem Einfluss der leitenden Zellen, die das Signal zur Kontraktion liefern. 99 Prozent der Myokardzellen sind kontraktiler Art, und nur 1 Prozent ist der Leitung gewidmet. Dieses Verhältnis lässt zwar zu Recht den größten Teil des Herzens für die Arbeit frei, es bedeutet aber auch, dass ein Defekt in den Zellen, die die Das Reizleitungssystem des Herzens kann für das Organ schwer zu umgehen sein, wenn alternative Reizleitungswege verwendet werden, von denen es nur wenige gibt viele. Die leitenden Zellen sind im Allgemeinen viel kleiner als die kontraktilen Zellen, da sie die verschiedenen Proteine, die an der Kontraktion beteiligt sind, nicht benötigen; sie brauchen nur an der getreuen Ausführung des Herzmuskelaktionspotentials beteiligt zu sein.

Die Phase 4 des Herzmuskelzellpotentials wird als diastolisches Intervall bezeichnet, da diese Periode der Diastole oder dem Intervall zwischen den Kontraktionen des Herzmuskels entspricht. Jedes Mal, wenn Sie den Schlag Ihres Herzschlags hören oder fühlen, ist dies das Ende der Herzkontraktion, die als Systole bezeichnet wird. Je schneller Ihr Herz schlägt, desto höher ist ein Bruchteil seines Kontraktions-Entspannungs-Zyklus, das es in der Systole verbringt, aber selbst wenn Sie alles trainieren und Ihren Puls auf die 200. drücken Bereich befindet sich Ihr Herz die meiste Zeit noch in der Diastole, was Phase 4 zur längsten Phase des kardialen Aktionspotentials macht, die insgesamt etwa 300 Millisekunden (drei Zehntel von a .) dauert zweite). Während ein Aktionspotential im Gange ist, können keine anderen Aktionspotentiale in demselben Teil der Herzzelle ausgelöst werden Membran, was Sinn macht – einmal begonnen, sollte ein Potenzial in der Lage sein, seine Aufgabe der Stimulierung eines Myokards zu erfüllen Kontraktion.

Wie oben erwähnt, hat das elektrische Potential über die Membran während der Phase 4 einen Wert von etwa –90 mV. Dieser Wert gilt für kontraktile Zellen; für leitende Zellen liegt sie näher bei –60 mV. Dies ist eindeutig kein stabiler Gleichgewichtswert, sonst würde das Herz einfach nie schlagen. Wenn stattdessen ein Signal die Negativität des Wertes über die kontraktile Zellmembran auf etwa –65 mV senkt, löst dies Veränderungen in der Membran aus, die den Natriumioneneinstrom erleichtern. Dieses Szenario stellt ein positives Rückkopplungssystem dar, bei dem eine Störung der Membran, die die Zelle in Richtung eines positiven Ladungswertes bewirkt Veränderungen, die den Innenraum noch mehr machen positiv. Mit dem Einströmen von Natriumionen durch diese spannungsgesteuerte Ionenkanäle in der Zellmembran tritt der Myozyt in Phase 0 ein und das Spannungsniveau nähert sich seinem Aktionspotentialmaximum von etwa +30 mV, was einer Gesamtspannungsabweichung von Phase 4 von etwa 120 mV entspricht.

Phase 2 des Aktionspotentials wird auch Plateauphase genannt. Wie Phase 4 stellt sie eine Phase dar, in der die Spannung an der Membran stabil oder nahezu stabil ist. Anders als in Phase 4 geschieht dies jedoch in der Phase der ausgleichenden Faktoren. Die erste besteht aus einströmendem Natrium (der Einstrom, der sich nach dem schnellen Einstrom in Phase 0 noch nicht ganz auf Null verjüngt hat) und einströmendem Calcium; der andere beinhaltet drei Arten von außen Gleichrichterströme (langsam, mittel und schnell), alle verfügen über eine Kaliumbewegung. Dieser Gleichrichterstrom ist letztendlich für die Kontraktion des Herzmuskels verantwortlich, da dieser Kaliumausfluss einen Kaskade, in der Calciumionen an aktive Zentren auf zellulären kontraktilen Proteinen (z. B. Aktin, Troponin) binden und sie in Aktion.

Phase 2 endet, wenn der nach innen gerichtete Fluss von Kalzium und Natrium aufhört, während der nach außen gerichtete Fluss von Kalium (der Gleichrichterstrom) andauert und die Zelle in Richtung Repolarisation treibt.

Das Aktionspotential der Herzzellen unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht von den Aktionspotentialen in Nerven. Zum einen und vor allem ist es viel länger. Dies ist im Wesentlichen ein Sicherheitsfaktor: Da das Aktionspotential der Herzzellen länger ist, bedeutet dies dass auch die Periode, in der ein neues Aktionspotential auftritt, die sogenannte Refraktärperiode, länger ist. Dies ist wichtig, denn es gewährleistet einen reibungslosen Kontakt mit dem Herzen, selbst wenn es mit maximaler Geschwindigkeit arbeitet. Gewöhnlichen Muskelzellen fehlt diese Eigenschaft und sie können sich daher an sogenannten tetanische Kontraktionen, was zu Krämpfen und dergleichen führt. Es ist unbequem, wenn sich die Skelettmuskulatur so verhält, wäre aber tödlich, wenn das Myokard dasselbe tun würde.