Fasen van het cardiale actiepotentieel

Het kloppen van het hart wordt waarschijnlijk sterker geassocieerd met het fenomeen van het leven dan enig ander afzonderlijk concept of proces, zowel medisch als metaforisch. Wanneer mensen levenloze objecten of zelfs abstracte concepten bespreken, gebruiken ze termen als "Haar verkiezingscampagne heeft nog steeds een" pulse" en "De kansen van het team waren vlak toen het zijn sterspeler verloor" om te beschrijven of het ding in kwestie "levend" is of niet. En als ambulancepersoneel een gevallen slachtoffer aantreft, controleren ze eerst of het slachtoffer een hartslag heeft.

De reden waarom een ​​hart klopt is simpel: elektriciteit. Maar zoals zoveel dingen in de biologiewereld, is de precieze en gecoördineerde manier waarop elektrische activiteit het hart aandrijft om te pompen vitale bloed naar de weefsels van het lichaam, ongeveer 70 keer per minuut, 100.000 keer per dag gedurende tientallen jaren, is wonderbaarlijk elegant in zijn operatie. Het begint allemaal met iets dat an. wordt genoemd

Celmembranen hebben een zogenaamde elektrochemische gradiënt over de fosfolipide dubbellaag van het membraan. Deze gradiënt wordt in stand gehouden door eiwitpompen die in het membraan zijn ingebed en die bepaalde soorten ionen (geladen deeltjes) in één keer door het membraan verplaatsen. richting terwijl soortgelijke "pompen" andere soorten ionen in de tegenovergestelde richting bewegen, wat leidt tot een situatie waarin geladen deeltjes "willen" stromen in de ene richting nadat hij in de andere richting is geshuttled, als een bal die blijft "willen" naar je terug te keren terwijl je hem herhaaldelijk recht in de lucht. Deze ionen omvatten natrium (Na⁺), kalium (K⁺) en calcium (Ca²⁺). Een calciumion heeft een netto positieve lading van twee eenheden, twee keer die van een natriumion of een kaliumion.

Om een ​​idee te krijgen van hoe deze helling wordt gehandhaafd, stelt u zich een situatie voor waarin honden in een box in één richting over een hek terwijl geiten in een aangrenzende pen in de andere worden gedragen, waarbij elk type dier de bedoeling heeft terug te gaan naar de plek waar het begonnen. Als er drie geiten naar de hondenzone worden verplaatst voor elke twee honden die naar de geitenzone worden verplaatst, hiervoor verantwoordelijk is, is het in stand houden van een zoogdier onbalans over het hek dat constant over is tijd. De geiten en honden die proberen terug te keren naar hun favoriete plekjes worden continu naar buiten "gepompt". Deze analogie is onvolmaakt, maar biedt een basisverklaring van hoe celmembranen een elektrochemische gradiënt handhaven, ook wel een membraanpotentiaal genoemd. Zoals u zult zien, zijn de primaire ionen die deelnemen aan dit schema natrium en kalium.

Een actiepotentiaal is een omkeerbare verandering van dit membraanpotentiaal als gevolg van een "rimpeleffect" - een activering van stromen gegenereerd door de plotselinge diffusie van ionen over het membraan verlagen de elektrochemische electro verloop. Met andere woorden, bepaalde omstandigheden kunnen de evenwichtstoestand van de membraanionen verstoren en ionen in grote aantallen laten stromen in de richting die ze "willen" gaan - met andere woorden, tegen de pomp in. Dit leidt tot een actiepotentiaal dat zich langs een zenuwcel (ook wel een neuron genoemd) of een hartcel beweegt dezelfde algemene manier waarop een golf zich voortbeweegt langs een snaar die aan beide uiteinden bijna strak wordt gehouden als één uiteinde is "geflitst."

Omdat het membraan meestal een ladingsgradiënt draagt, wordt het als gepolariseerd beschouwd, wat betekent: gekenmerkt door verschillende uitersten (meer negatief geladen aan één kant, meer positief geladen aan) de andere). Een actiepotentiaal wordt geactiveerd door depolarisatie, wat zich losjes vertaalt in een tijdelijke opheffing van de normale ladingsonbalans of een herstel van het evenwicht.

Er zijn vijf cardiale actiepotentiaalfasen, genummerd van 0 tot en met 4 (wetenschappers krijgen soms vreemde ideeën).

Fase 0 is depolarisatie van het membraan en de opening van "snelle" (d.w.z. high-flow) natriumkanalen. Ook de kaliumstroom neemt af.

Fase 1 is gedeeltelijke repolarisatie van het membraan dankzij een snelle afname van de doorgang van natriumionen naarmate de snelle natriumkanalen sluiten.

Fase 2 is de plateaufase, waarbij de beweging van calciumionen uit de cel depolarisatie handhaaft. Het dankt zijn naam aan het feit dat de elektrische lading over het membraan in deze fase weinig verandert.

Fase 3 is repolarisatie, als natrium- en calciumkanalen sluiten en de membraanpotentiaal terugkeert naar zijn basislijnniveau.

Fase 4 ziet het membraan op zijn zogenaamde rustpotentiaal van −90 millivolt (mV) als resultaat van het werk van de Na+/K+ ionenpomp. De waarde is negatief omdat de potentiaal in de cel negatief is in vergelijking met de potentiaal daarbuiten, en de laatste wordt behandeld als het nulreferentiekader. Dit komt omdat er drie natriumionen uit de cel worden gepompt voor elke twee kaliumionen die in de cel worden gepompt; Bedenk dat deze ionen een equivalente lading van +1 hebben, dus dit systeem resulteert in een netto-uitstroom of uitstroom van positieve lading.

Dus waartoe leidt al deze ionenpompende en celmembraanverstoring eigenlijk? Voordat we beschrijven hoe de elektrische activiteit in het hart zich vertaalt in hartslagen, is het nuttig om de spier te onderzoeken die deze hartslagen zelf produceert.

Hartspier (hartspier) is een van de drie soorten spieren in het menselijk lichaam. De andere twee zijn skeletspieren, die onder vrijwillige controle staan ​​(bijvoorbeeld: de biceps van uw bovenarmen) en gladde spier, die niet onder bewuste controle staat (bijvoorbeeld: de spieren in de wanden van uw darmen die het verterende voedsel verplaatsen langs). Alle soorten spieren hebben een aantal overeenkomsten, maar hartspiercellen hebben unieke eigenschappen om aan de unieke behoeften van hun ouderorgaan te voldoen. Om te beginnen wordt de initiatie van het "kloppen" van het hart gecontroleerd door speciale cardiale myocyten, of hartspiercellen, genaamd pacemakercellen. Deze cellen regelen het tempo van de hartslag, zelfs als er geen externe zenuwinput is, een eigenschap die autoritmiciteit. Dit betekent dat zelfs bij afwezigheid van input van het zenuwstelsel, het hart in theorie nog zou kunnen kloppen zolang elektrolyten (d.w.z. de bovengenoemde ionen) aanwezig waren. Natuurlijk varieert het tempo van de hartslag - ook wel de hartslag genoemd - aanzienlijk, en dit gebeurt dankzij differentiële input van een aantal bronnen, waaronder het sympathische zenuwstelsel, het parasympathische zenuwstelsel en hormonen.

Hartspier wordt ook wel myocardium. Het komt in twee soorten: myocardiale contractiele cellen en myocardiale geleidende cellen. Zoals je misschien al vermoedde, doen de samentrekkende cellen het werk van het pompen van bloed onder invloed van de geleidende cellen die het signaal om samen te trekken afgeven. 99 procent van de myocardiale cellen is van de contractiele variëteit en slechts 1 procent is bestemd voor geleiding. Hoewel deze verhouding terecht het grootste deel van het hart beschikbaar laat om werk uit te voeren, betekent dit ook dat er een defect is in de cellen die het hart vormen hartgeleidingssysteem kan voor het orgaan moeilijk te omzeilen zijn met behulp van alternatieve geleidingsroutes, waarvan er slechts zo zijn veel. De geleidende cellen zijn over het algemeen veel kleiner dan de contractiele cellen omdat ze geen behoefte hebben aan de verschillende eiwitten die bij contractie betrokken zijn; ze hoeven alleen betrokken te zijn bij de getrouwe uitvoering van het actiepotentiaal van de hartspier.

Fase 4 van het hartspiercelpotentieel wordt het diastolische interval genoemd, omdat deze periode overeenkomt met diastole, of het interval tussen contracties van de hartspier. Elke keer dat u de dreun van uw hartslag hoort of voelt, is dit het einde van het samentrekken van het hart, wat systole wordt genoemd. Hoe sneller je hart klopt, hoe hoger een fractie van zijn contractie-ontspanningscyclus het in systole doorbrengt, maar zelfs als je alles uitoefent en je hartslag naar de 200 duwt bereik, is uw hart het grootste deel van de tijd nog in diastole, waardoor fase 4 de langste fase van de cardiale actiepotentiaal is, die in totaal ongeveer 300 milliseconden duurt (drie tienden van een tweede). Terwijl een actiepotentiaal aan de gang is, kunnen er geen andere actiepotentialen worden gestart in hetzelfde deel van de hartcel cardiac membraan, wat logisch is - eenmaal begonnen, zou een potentieel in staat moeten zijn om zijn taak van het stimuleren van een hartspier af te maken samentrekking.

Zoals hierboven opgemerkt, heeft tijdens fase 4 de elektrische potentiaal over het membraan een waarde van ongeveer -90 mV. Deze waarde is van toepassing op contractiele cellen; voor het geleiden van cellen is het dichter bij -60 mV. Het is duidelijk dat dit geen stabiele evenwichtswaarde is, anders zou het hart gewoon helemaal niet kloppen. In plaats daarvan, als een signaal de negativiteit van de waarde over het contractiele celmembraan verlaagt tot ongeveer -65 mV, veroorzaakt dit veranderingen in het membraan die de instroom van natriumionen vergemakkelijken. Dit scenario vertegenwoordigt een positief feedbacksysteem in die zin dat een verstoring van het membraan dat de cel in de richting van een positieve ladingswaarde zorgt voor veranderingen die het interieur nog meer maken positief. Met het naar binnen stromen van natriumionen door deze spanningsafhankelijke ionenkanalen in het celmembraan gaat de myocyt fase 0 binnen en het spanningsniveau nadert zijn actiepotentiaalmaximum van ongeveer +30 mV, wat neerkomt op een totale spanningsexcursie van fase 4 van ongeveer 120 mV.

Fase 2 van de actiepotentiaal wordt ook wel de plateaufase genoemd. Net als fase 4 vertegenwoordigt het een fase waarin de spanning over het membraan stabiel is, of bijna zo. Anders dan in fase 4 gebeurt dit echter in de fase van tegenwichtsfactoren. De eerste hiervan bestaat uit naar binnen stromend natrium (de instroom die na de snelle instroom in fase 0 nog niet helemaal tot nul is afgenomen) en naar binnen stromend calcium; de andere omvat drie soorten uiterlijke gelijkrichterstromen (langzaam, gemiddeld en snel), die allemaal zijn voorzien van kaliumbeweging. Deze gelijkrichtstroom is uiteindelijk verantwoordelijk voor de samentrekking van de hartspier, omdat deze kalium-efflux een cascade waarin calciumionen binden aan actieve plaatsen op cellulaire contractiele eiwitten (bijv. actine, troponine) en ze overhalen tot actie.

Fase 2 eindigt wanneer de inwaartse stroom van calcium en natrium ophoudt terwijl de uitgaande stroom van kalium (de gelijkrichterstroom) doorgaat, waardoor de cel in de richting van repolarisatie wordt geduwd.

De actiepotentiaal van hartcellen verschilt op verschillende manieren van de actiepotentialen in zenuwen. Om te beginnen, en vooral, het is veel langer. Dit is in wezen een veiligheidsfactor: omdat de actiepotentiaal van de hartcellen langer is, betekent dit: dat de periode waarin een nieuwe actiepotentiaal optreedt, de refractaire periode genoemd, ook langer is. Dit is belangrijk, omdat het zorgt voor een soepel contact met het hart, zelfs wanneer het op maximale snelheid werkt. Gewone spiercellen missen deze eigenschap en kunnen zich dus bezighouden met zogenaamde tetanische samentrekkingen, wat leidt tot krampen en dergelijke. Het is onhandig als de skeletspier zich zo gedraagt, maar het zou dodelijk zijn als het myocard hetzelfde zou doen.