Φάσεις του δυναμικού καρδιακής δράσης

Ο παλμός της καρδιάς σχετίζεται πιθανώς με το φαινόμενο της ζωής πιο έντονα από οποιαδήποτε άλλη ιδέα ή διαδικασία, τόσο ιατρικά όσο και μεταφορικά. Όταν οι άνθρωποι συζητούν άψυχα αντικείμενα ή ακόμη και αφηρημένες έννοιες, χρησιμοποιούν όρους όπως "Η εκλογική της εκστρατεία εξακολουθεί να έχει σφυγμός "και" Οι πιθανότητες της ομάδας να είναι επίπεδες όταν έχασε τον πρωταγωνιστή της "για να περιγράψουν εάν το εν λόγω πράγμα είναι" ζωντανό "ή δεν. Και όταν το ιατρικό προσωπικό έκτακτης ανάγκης συναντά ένα πεσμένο θύμα, το πρώτο πράγμα που ελέγχουν είναι αν το θύμα έχει παλμό.

Ο λόγος που μια καρδιά χτυπά είναι απλή: ηλεκτρική ενέργεια. Όπως και πολλά πράγματα στον κόσμο της βιολογίας, ωστόσο, ο ακριβής και συντονισμένος τρόπος με τον οποίο η ηλεκτρική δραστηριότητα ωθεί την καρδιά να αντλεί ζωτικό αίμα προς τους ιστούς του σώματος, 70 περίπου φορές το λεπτό, 100.000 φορές την ημέρα για δεκαετίες στο τέλος, είναι υπέροχα κομψό στο λειτουργία. Όλα ξεκινούν με κάτι που ονομάζεται δυναμικό δράσης

Οι κυτταρικές μεμβράνες έχουν αυτό που είναι γνωστό ως ηλεκτροχημική βαθμίδα κατά μήκος της φωσφολιπιδικής διπλής στιβάδας της μεμβράνης. Αυτή η κλίση διατηρείται από πρωτεΐνες "αντλίες" ενσωματωμένες στη μεμβράνη που μετακινούν μερικούς τύπους ιόντων (φορτισμένα σωματίδια) κατά μήκος της μεμβράνης σε ένα κατεύθυνση ενώ παρόμοιες "αντλίες" κινούν άλλους τύπους ιόντων στην αντίθετη κατεύθυνση, οδηγώντας σε μια κατάσταση στην οποία τα φορτισμένα σωματίδια "θέλουν" να ρέουν προς τη μία κατεύθυνση μετά το κλείσιμο στην άλλη, σαν μια μπάλα που συνεχίζει να «θέλει» να επιστρέψει σε εσάς καθώς την πετάτε επανειλημμένα κατευθείαν στο αέρας. Αυτά τα ιόντα περιλαμβάνουν νάτριο (Na⁺), κάλιο (Κ⁺) και ασβέστιο (Ca²⁺). Ένα ιόν ασβεστίου έχει καθαρό θετικό φορτίο δύο μονάδων, διπλάσιο από ένα ιόν νατρίου ή ιόν καλίου.

Για να αποκτήσετε μια αίσθηση για το πώς διατηρείται αυτή η κλίση, φανταστείτε μια κατάσταση στην οποία τα σκυλιά σε ένα παρκοκρέβατο κινούνται προς μια κατεύθυνση κατά μήκος φράχτη ενώ οι αίγες σε μια γειτονική πένα μεταφέρονται στην άλλη, με κάθε τύπο ζώου να προτίθεται να επιστρέψει στο σημείο στο οποίο ξεκίνησε. Εάν τρία κατσίκια μετακινούνται στη ζώνη σκύλου για κάθε δύο σκυλιά μετακινούνται στη ζώνη κατσίκας, τότε όποιος είναι υπεύθυνος για αυτό διατηρεί μια ανισορροπία θηλαστικών κατά μήκος του φράχτη που είναι σταθερός χρόνος. Οι αίγες και οι σκύλοι που προσπαθούν να επιστρέψουν στα αγαπημένα τους σημεία "αντλούνται" έξω σε συνεχή βάση. Αυτή η αναλογία είναι ατελής, αλλά προσφέρει μια βασική εξήγηση για το πώς οι κυτταρικές μεμβράνες διατηρούν μια ηλεκτροχημική βαθμίδα, που ονομάζεται επίσης δυναμικό μεμβράνης. Όπως θα δείτε, τα κύρια ιόντα που συμμετέχουν σε αυτό το σχήμα είναι το νάτριο και το κάλιο.

Ενα δυναμικό δράσης είναι μια αναστρέψιμη αλλαγή αυτού του δυναμικού μεμβράνης που προκύπτει από ένα "φαινόμενο κυματισμού" - μια ενεργοποίηση του Τα ρεύματα που δημιουργούνται από την ξαφνική διάχυση των ιόντων κατά μήκος της μεμβράνης μειώνουν το ηλεκτροχημικό βαθμίδα. Με άλλα λόγια, ορισμένες συνθήκες μπορούν να διαταράξουν την ανισορροπία ιόντων μεμβράνης σε σταθερή κατάσταση και να επιτρέψουν στα ιόντα να ρέουν σε μεγάλο αριθμό προς την κατεύθυνση που «θέλουν» να πάνε - με άλλα λόγια, ενάντια στην αντλία. Αυτό οδηγεί σε ένα δυναμικό δράσης που κινείται κατά μήκος ενός νευρικού κυττάρου (ονομάζεται επίσης νευρώνας) ή του καρδιακού κυττάρου με τον ίδιο γενικό τρόπο ένα κύμα θα ταξιδεύει κατά μήκος μιας χορδής που κρατά σχεδόν τεντωμένη και στα δύο άκρα, αν το ένα άκρο είναι "τράβηξε."

Επειδή η μεμβράνη συνήθως έχει βαθμίδα φόρτισης, θεωρείται πολωμένη, δηλαδή χαρακτηρίζεται από διαφορετικά άκρα (πιο αρνητικά φορτισμένο από τη μία πλευρά, πιο θετικά φορτισμένο το άλλο). Ένα δυναμικό δράσης προκαλείται από την αποπόλωση, η οποία μεταφράζεται χαλαρά σε μια προσωρινή ακύρωση από την κανονική ανισορροπία φόρτισης ή σε αποκατάσταση της ισορροπίας.

Υπάρχουν πέντε πιθανές φάσεις καρδιακής δράσης, από 0 έως 4 (οι επιστήμονες παίρνουν μερικές φορές παράξενες ιδέες).

Φάση 0 είναι η αποπόλωση της μεμβράνης και το άνοιγμα των «ταχείων» (δηλαδή, υψηλής ροής) καναλιών νατρίου. Η ροή καλίου μειώνεται επίσης.

Φάση 1 είναι μερική επαναπόλωση της μεμβράνης χάρη στην ταχεία μείωση της διέλευσης ιόντων νατρίου καθώς κλείνουν τα γρήγορα κανάλια νατρίου.

Φάση 2 είναι το φάση οροπέδιο, στην οποία η κίνηση των ιόντων ασβεστίου έξω από το κύτταρο διατηρεί την αποπόλωση. Παίρνει το όνομά του επειδή το ηλεκτρικό φορτίο σε όλη τη μεμβράνη αλλάζει πολύ λίγο σε αυτή τη φάση.

Φάση 3 είναι επαναπόλωση, καθώς τα κανάλια νατρίου και ασβεστίου κλείνουν και το δυναμικό της μεμβράνης επιστρέφει στο αρχικό του επίπεδο.

Φάση 4 βλέπει τη μεμβράνη στο λεγόμενο δυναμικό ηρεμίας της −90 millivolts (mV) ως αποτέλεσμα της εργασίας της αντλίας ιόντων Na + / K +. Η τιμή είναι αρνητική επειδή το δυναμικό μέσα στο κελί είναι αρνητικό σε σύγκριση με το δυναμικό εκτός αυτού, και το τελευταίο αντιμετωπίζεται ως το πλαίσιο αναφοράς μηδέν. Αυτό συμβαίνει επειδή τρία ιόντα νατρίου αντλούνται έξω από το κελί για κάθε δύο ιόντα καλίου που αντλούνται στο κύτταρο. θυμηθείτε ότι αυτά τα ιόντα έχουν ισοδύναμο φορτίο +1, επομένως αυτό το σύστημα οδηγεί σε καθαρή εκροή, ή εκροή, θετικού φορτίου.

Τι οδηγεί λοιπόν σε όλη αυτή τη διακοπή της αντλίας ιόντων και της κυτταρικής μεμβράνης; Πριν περιγράψετε πώς η ηλεκτρική δραστηριότητα στην καρδιά μεταφράζεται σε καρδιακούς παλμούς, είναι χρήσιμο να εξεταστεί ο μυς που παράγει τους ίδιους τους κτύπους.

Ο καρδιακός μυς είναι ένα από τα τρία είδη μυών στο ανθρώπινο σώμα. Οι άλλοι δύο είναι σκελετικοί μύες, οι οποίοι βρίσκονται υπό εθελοντικό έλεγχο (παράδειγμα: οι δικέφαλοι των άνω βραχιόνων) και ομαλοί μυς, ο οποίος δεν είναι υπό συνειδητό έλεγχο (παράδειγμα: οι μύες στα τοιχώματα των εντέρων σας που μετακινούν την πέψη των τροφίμων κατά μήκος). Όλοι οι τύποι μυών έχουν πολλές ομοιότητες, αλλά τα καρδιακά μυϊκά κύτταρα έχουν μοναδικές ιδιότητες για να εξυπηρετούν τις μοναδικές ανάγκες του γονικού τους οργάνου. Πρώτον, η έναρξη του «κτύπου» της καρδιάς ελέγχεται από ειδικά καρδιακά μυοκύτταρα ή καρδιακά μυϊκά κύτταρα, που ονομάζονται κύτταρα βηματοδότη. Αυτά τα κύτταρα ελέγχουν το ρυθμό του καρδιακού παλμού ακόμη και απουσία εξωτερικής νευρικής εισόδου, μια ιδιότητα που ονομάζεται αυτορρυθμικότητα. Αυτό σημαίνει ότι ακόμη και απουσία εισόδου από το νευρικό σύστημα, η καρδιά θα μπορούσε θεωρητικά να κτύπησε ακόμα όσο υπήρχαν ηλεκτρολύτες (δηλαδή, τα προαναφερθέντα ιόντα). Φυσικά, ο ρυθμός του καρδιακού παλμού - επίσης γνωστός ως ο παλμός - ποικίλλει σημαντικά, και αυτό συμβαίνει χάρη στο διαφορική είσοδος από διάφορες πηγές, συμπεριλαμβανομένου του συμπαθητικού νευρικού συστήματος, του παρασυμπαθητικού νευρικού συστήματος και ορμόνες.

Ο καρδιακός μυς ονομάζεται επίσης μυοκάρδιο. Έρχεται σε δύο τύπους: συσταλτικά κύτταρα μυοκαρδίου και κύτταρα αγώγιμου μυοκαρδίου. Όπως ίσως έχετε υποθέσει, τα συσταλτικά κύτταρα κάνουν το έργο της άντλησης αίματος υπό την επίδραση των αγώγιμων κυττάρων που παραδίδουν το σήμα να συστέλλονται. 99 τοις εκατό των μυοκαρδιακών κυττάρων είναι της συσταλτικής ποικιλίας, και μόνο το 1 τοις εκατό είναι αφιερωμένο στην αγωγή. Αν και αυτός ο λόγος αφήνει σωστά το μεγαλύτερο μέρος της καρδιάς διαθέσιμο για την εκτέλεση εργασιών, αυτό σημαίνει επίσης ότι ένα ελάττωμα στα κύτταρα που σχηματίζουν το Το σύστημα καρδιακής αγωγής μπορεί να είναι δύσκολο για το όργανο να παρακάμψει χρησιμοποιώντας εναλλακτικές οδούς αγωγιμότητας, από τις οποίες υπάρχουν μόνο Πολλά. Τα αγώγιμα κύτταρα είναι γενικά πολύ μικρότερα από τα συσταλτικά κύτταρα επειδή δεν έχουν ανάγκη για τις διάφορες πρωτεΐνες που εμπλέκονται στη συστολή. πρέπει να συμμετέχουν μόνο στην πιστή εκτέλεση του δυναμικού δράσης των καρδιακών μυών.

Η φάση 4 του δυναμικού των καρδιακών μυών ονομάζεται διαστολικό διάστημα, διότι αυτή η περίοδος αντιστοιχεί σε διαστόλη ή το διάστημα μεταξύ συστολών του καρδιακού μυός. Κάθε φορά που ακούτε ή αισθάνεστε το χτύπημα του καρδιακού σας παλμού, αυτό είναι το τέλος της καρδιάς που συστέλλεται, το οποίο ονομάζεται systole. Όσο πιο γρήγορα χτυπάει η καρδιά σας, τόσο υψηλότερο είναι ένα μέρος του κύκλου συστολής-χαλάρωσης που ξοδεύει σε συστολή, αλλά ακόμη και όταν ασκείστε εξαντλητικά και ωθείτε τον παλμό σας στο 200 εύρος, η καρδιά σας εξακολουθεί να βρίσκεται σε διάστολο τις περισσότερες φορές, καθιστώντας τη φάση 4 τη μεγαλύτερη φάση του δυναμικού καρδιακής δράσης, η οποία διαρκεί συνολικά περίπου 300 χιλιοστά του δευτερολέπτου (τρία δέκατα του δεύτερος). Ενώ ένα δυναμικό δράσης βρίσκεται σε εξέλιξη, κανένα άλλο δυναμικό δράσης δεν μπορεί να ξεκινήσει στο ίδιο τμήμα των καρδιακών κυττάρων μεμβράνη, η οποία έχει νόημα - μόλις ξεκινήσει, ένα δυναμικό θα πρέπει να είναι σε θέση να ολοκληρώσει τη δουλειά του για τη διέγερση του μυοκαρδίου συστολή.

Όπως σημειώθηκε παραπάνω, κατά τη φάση 4, το ηλεκτρικό δυναμικό κατά μήκος της μεμβράνης έχει τιμή περίπου −90 mV. Αυτή η τιμή ισχύει για συσταλτικά κύτταρα. για τη διεξαγωγή κυττάρων, είναι πιο κοντά στα −60 mV. Σαφώς, αυτό δεν είναι μια σταθερή τιμή ισορροπίας αλλιώς η καρδιά απλά δεν θα χτυπούσε καθόλου. Αντ 'αυτού, εάν ένα σήμα χαμηλώσει την αρνητικότητα της τιμής κατά μήκος της μεμβράνης των συσταλτικών κυττάρων σε περίπου −65 mV, αυτό προκαλεί αλλαγές στη μεμβράνη που διευκολύνουν την εισροή ιόντων νατρίου. Αυτό το σενάριο αντιπροσωπεύει ένα σύστημα θετικής ανάδρασης στο ότι μια διαταραχή της μεμβράνης που ωθεί το το κελί προς την κατεύθυνση μιας θετικής τιμής φόρτισης προκαλεί αλλαγές που κάνουν το εσωτερικό ακόμη περισσότερο θετικός. Με την ορμή προς τα μέσα των ιόντων νατρίου μέσα από αυτά κανάλια ιόντων με τάση Στην κυτταρική μεμβράνη, το μυοκύτταρο εισέρχεται στη φάση 0 και το επίπεδο τάσης πλησιάζει το μέγιστο δυναμικό δράσης του περίπου +30 mV, αντιπροσωπεύοντας μια συνολική εκτροπή τάσης από τη φάση 4 περίπου 120 mV.

Η φάση 2 του δυναμικού δράσης ονομάζεται επίσης η φάση του οροπέδιου. Όπως και η φάση 4, αντιπροσωπεύει μια φάση στην οποία η τάση κατά μήκος της μεμβράνης είναι σταθερή, ή σχεδόν έτσι. Σε αντίθεση με την περίπτωση στη φάση 4, ωστόσο, αυτό συμβαίνει στη φάση των αντισταθμιστικών παραγόντων. Το πρώτο από αυτά αποτελείται από νάτριο που ρέει προς τα μέσα (η εισροή που δεν έχει μειωθεί αρκετά στο μηδέν μετά την ταχεία εισροή στη φάση 0) και το ασβέστιο που ρέει προς τα μέσα. Το άλλο περιλαμβάνει τρεις τύπους εξωτερικών ρεύματα ανορθωτή (αργή, ενδιάμεση και γρήγορη), Όλα διαθέτουν κίνηση καλίου. Αυτό το ρεύμα ανορθωτή είναι αυτό που είναι τελικά υπεύθυνο για τη συστολή του καρδιακού μυός, καθώς αυτή η εκροή καλίου ξεκινά καταρράκτη στον οποίο τα ιόντα ασβεστίου συνδέονται με ενεργές θέσεις σε κυτταρικές συσταλτικές πρωτεΐνες (π.χ. ακτίνη, τροπονίνη) και δράση.

Η φάση 2 τελειώνει όταν σταματήσει η εσωτερική ροή ασβεστίου και νατρίου ενώ η εξωτερική ροή καλίου (το ρεύμα ανορθωτή) συνεχίζεται, ωθώντας το κύτταρο προς επαναπόλωση.

Το δυναμικό δράσης των καρδιακών κυττάρων διαφέρει από το δυναμικό δράσης στα νεύρα με διάφορους τρόπους. Για ένα πράγμα, και το πιο σημαντικό, είναι πολύ μεγαλύτερο. Αυτό είναι ουσιαστικά ένας παράγοντας ασφαλείας: Επειδή το δυναμικό δράσης των καρδιακών κυττάρων είναι μεγαλύτερο, αυτό σημαίνει ότι η περίοδος κατά την οποία εμφανίζεται ένα νέο δυναμικό δράσης, που ονομάζεται πυρίμαχη περίοδος, είναι επίσης μεγαλύτερη. Αυτό είναι σημαντικό, γιατί εξασφαλίζει μια ομαλή επαφή της καρδιάς ακόμα και όταν λειτουργεί με τη μέγιστη ταχύτητα. Τα συνηθισμένα μυϊκά κύτταρα δεν διαθέτουν αυτήν την ιδιότητα και μπορούν έτσι να εμπλακούν σε αυτό που ονομάζεται τετανικές συστολές, οδηγώντας σε κράμπες και παρόμοια. Είναι άβολο όταν ο σκελετικός μυς συμπεριφέρεται έτσι, αλλά θα ήταν θανατηφόρος εάν το μυοκάρδιο έκανε το ίδιο.