Bicie serca jest prawdopodobnie związane z fenomenem życia silniej niż z jakimkolwiek innym pojedynczym pojęciem lub procesem, zarówno medycznie, jak i metaforycznie. Kiedy ludzie rozmawiają o przedmiotach nieożywionych, a nawet pojęciach abstrakcyjnych, używają terminów takich jak „Jej kampania wyborcza wciąż ma puls” i „Szanse drużyny wyczerpywały się, gdy straciła swojego najlepszego gracza”, aby opisać, czy przedmiot jest „żywy”, czy nie. A kiedy personel ratownictwa medycznego natknie się na ofiarę, pierwszą rzeczą, którą sprawdza, jest to, czy ofiara ma puls.
Powód, dla którego serce bije, jest prosty: elektryczność. Jak wiele rzeczy w świecie biologii, jednak precyzyjny i skoordynowany sposób, w jaki aktywność elektryczna napędza serce do pompowania życiowa krew w tkankach organizmu, około 70 razy na minutę, 100 000 razy dziennie przez dziesięciolecia, jest cudownie elegancka w swoim operacja. Wszystko zaczyna się od czegoś, co nazywa się an potencjał czynnościowy, w tym przypadku potencjał czynnościowy serca. Fizjolodzy podzielili to wydarzenie na cztery odrębne fazy.
Jaki jest potencjał działania?
Błony komórkowe mają tak zwany gradient elektrochemiczny w dwuwarstwie fosfolipidowej błony. Gradient ten jest utrzymywany przez białkowe „pompy” osadzone w membranie, które w jednym ruchu przemieszczają niektóre rodzaje jonów (naładowanych cząstek) przez błonę kierunku, podczas gdy podobne „pompy” przesuwają inne rodzaje jonów w przeciwnym kierunku, co prowadzi do sytuacji, w której naładowane cząstki „chcą” płynąć w jedną stronę po tym, jak została przerzucona w drugą, jak piłka, która „chce” wrócić do ciebie, gdy wielokrotnie wrzucasz ją prosto do powietrze. Te jony obejmują sód (Na+), potas (K+) i wapń (Ca2+). Jon wapnia ma ładunek dodatni netto dwóch jednostek, dwa razy więcej niż jon sodu lub jon potasu.
Aby zorientować się, jak ten gradient jest utrzymywany, wyobraź sobie sytuację, w której psy w kojcu poruszają się w jednym kierunku przez ogrodzeniem, podczas gdy kozy w sąsiednim kojcu są noszone w drugim, a każdy rodzaj zwierzęcia ma zamiar wrócić do miejsca, w którym zaczęło się. Jeśli trzy kozy zostaną przeniesione do strefy psów na każde dwa psy przeniesione do strefy kóz, to ktokolwiek then odpowiada za to utrzymywanie nierównowagi ssaków w poprzek ogrodzenia, która jest stała ponad czas. Kozy i psy, które próbują wrócić na swoje ulubione miejsca, są w sposób ciągły „wypompowywane” na zewnątrz. Ta analogia jest niedoskonała, ale daje podstawowe wyjaśnienie, w jaki sposób błony komórkowe utrzymują gradient elektrochemiczny, zwany również potencjałem błonowym. Jak zobaczysz, pierwszorzędowe jony biorące udział w tym schemacie to sód i potas.
Na potencjał czynnościowy jest odwracalną zmianą tego potencjału błonowego wynikającą z „efektu tętnienia” – aktywacji prądy generowane przez nagłą dyfuzję jonów przez błonę obniżają elektrochemię gradient. Innymi słowy, pewne warunki mogą zakłócić nierównowagę jonową błony w stanie ustalonym i umożliwić przepływ dużych ilości jonów w kierunku, w którym „chcą” iść – innymi słowy, przeciw pompie. Prowadzi to do potencjału czynnościowego poruszającego się wzdłuż komórki nerwowej (zwanej również neuronem) lub komórki sercowej w w ten sam ogólny sposób, w jaki fala będzie przemieszczać się wzdłuż struny trzymanej prawie naprężonej na obu końcach, jeśli jeden koniec jest „przeskakiwał”.
Ponieważ membrana zwykle przenosi gradient ładunku, jest uważana za spolaryzowaną, co oznacza charakteryzują się różnymi ekstremami (bardziej naładowany ujemnie z jednej strony, bardziej naładowany dodatnio z jednej strony) inny). Potencjał czynnościowy jest wyzwalany przez depolaryzację, która luźno przekłada się na tymczasowe zniesienie nierównowagi normalnego ładunku lub przywrócenie równowagi.
Jakie są różne fazy potencjału działania?
Istnieje pięć faz potencjału czynnościowego serca, ponumerowanych od 0 do 4 (naukowcy czasami mają dziwne pomysły).
Faza 0 to depolaryzacja błony i otwarcie „szybkich” (tj. o wysokim przepływie) kanałów sodowych. Zmniejsza się również przepływ potasu.
Faza 1 to częściowa repolaryzacja błony dzięki szybkiemu zmniejszeniu przechodzenia jonów sodowych w miarę zamykania się szybkich kanałów sodowych.
Faza 2 jest faza plateau, w którym ruch jonów wapnia z komórki utrzymuje depolaryzację. Ma swoją nazwę, ponieważ ładunek elektryczny na błonie zmienia się bardzo niewiele w tej fazie.
Faza 3 jest repolaryzacja, ponieważ kanały sodowe i wapniowe zamykają się, a potencjał błonowy powraca do poziomu wyjściowego.
Faza 4 widzi membranę w jej tak zwanym potencjale spoczynkowym wynoszącym -90 miliwoltów (mV) w wyniku pracy pompy jonowej Na+/K+. Wartość jest ujemna, ponieważ potencjał wewnątrz komórki jest ujemny w porównaniu z potencjałem na zewnątrz, a ten drugi jest traktowany jako zerowy układ odniesienia. Dzieje się tak, ponieważ trzy jony sodu są wypompowywane z komórki na każde dwa jony potasu wpompowane do komórki; Przypomnijmy, że te jony mają równoważny ładunek +1, więc ten układ powoduje wypływ netto lub odpływ ładunku dodatniego.
Miokardium i potencjał działania
Więc do czego tak naprawdę prowadzi to całe to pompowanie jonów i rozerwanie błony komórkowej? Zanim opiszemy, w jaki sposób aktywność elektryczna serca przekłada się na uderzenia serca, warto zbadać mięsień, który sam wytwarza te uderzenia.
Mięsień sercowy (serca) jest jednym z trzech rodzajów mięśni w ludzkim ciele. Pozostałe dwa to mięśnie szkieletowe, które są pod dobrowolną kontrolą (przykład: bicepsy twoich ramion) i gładkie mięśnie, które nie są pod świadomą kontrolą (przykład: mięśnie w ścianach jelit, które poruszają trawienie pokarmu) wzdłuż). Wszystkie typy mięśni mają wiele podobieństw, ale komórki mięśnia sercowego mają wyjątkowe właściwości, aby zaspokajać wyjątkowe potrzeby ich narządu macierzystego. Po pierwsze, inicjacja „bicia” serca jest kontrolowana przez specjalne miocyty sercowe, czyli komórki mięśnia sercowego, zwane komórki rozrusznika. Komórki te kontrolują tempo bicia serca nawet przy braku zewnętrznego sygnału nerwowego, właściwość nazywana autorytmiczność. Oznacza to, że nawet przy braku dopływu z układu nerwowego, serce teoretycznie mogłoby bić tak długo, jak długo obecne były elektrolity (tj. wspomniane jony). Oczywiście tempo bicia serca – zwane też częstością tętna – znacznie się różni, a dzieje się to dzięki: zróżnicowany sygnał wejściowy z wielu źródeł, w tym współczulnego układu nerwowego, przywspółczulnego układu nerwowego i hormony.
Nazywa się również mięsień sercowy mięsień sercowy. Występuje w dwóch typach: komórki kurczliwe mięśnia sercowego i komórki przewodzące mięśnia sercowego. Jak można się domyślać, komórki kurczliwe wykonują pracę polegającą na pompowaniu krwi pod wpływem komórek przewodzących, które dostarczają sygnał do skurczu. 99 procent komórek mięśnia sercowego to komórki typu kurczliwego, a tylko 1 procent to komórki przewodzące. Chociaż ten stosunek słusznie pozostawia większość serca dostępną do wykonywania pracy, oznacza to również, że defekt w komórkach tworzących układ przewodzący serca może być trudny do obejścia narządu za pomocą alternatywnych dróg przewodzenia, których jest tylko tak wiele. Komórki przewodzące są na ogół znacznie mniejsze niż komórki kurczliwe, ponieważ nie potrzebują różnych białek zaangażowanych w skurcz; muszą jedynie zaangażować się w wierną realizację potencjału czynnościowego mięśnia sercowego.
Co to jest depolaryzacja fazy 4?
Faza 4 potencjału komórek mięśnia sercowego nazywana jest przerwą rozkurczową, ponieważ okres ten odpowiada rozkurczowi, czyli przerwie między skurczami mięśnia sercowego. Za każdym razem, gdy słyszysz lub czujesz bicie serca, jest to koniec skurczu serca, który nazywa się skurczem. Im szybciej bije twoje serce, tym wyższy ułamek cyklu skurczowo-relaksacyjnego spędza w skurczu, ale nawet gdy ćwiczysz na całego i zwiększasz tętno do 200 zakres, twoje serce jest nadal w rozkurczu przez większość czasu, co sprawia, że faza 4 jest najdłuższą fazą potencjału czynnościowego serca, która w sumie trwa około 300 milisekund (trzy dziesiąte druga). Podczas gdy potencjał czynnościowy jest w toku, żadne inne potencjały czynnościowe nie mogą być zainicjowane w tej samej części komórki sercowej błona, co ma sens – raz rozpoczęty potencjał powinien być w stanie zakończyć swoją pracę polegającą na stymulacji mięśnia sercowego skurcz.
Jak wspomniano powyżej, podczas fazy 4 potencjał elektryczny na membranie ma wartość około -90 mV. Ta wartość dotyczy komórek kurczliwych; dla ogniw przewodzących jest bliższy -60 mV. Najwyraźniej nie jest to stabilna wartość równowagi, bo inaczej serce po prostu nigdy by nie biło. Zamiast tego, jeśli sygnał obniży ujemność wartości przez kurczliwą błonę komórkową do około -65 mV, powoduje to zmiany w błonie, które ułatwiają napływ jonów sodu. Ten scenariusz reprezentuje system pozytywnego sprzężenia zwrotnego, w którym zakłócenie membrany popycha ogniwo w kierunku dodatniej wartości ładunku powoduje zmiany, które sprawiają, że wnętrze jest jeszcze bardziej pozytywny. Z pędzącymi do środka jonami sodu przez te kanały jonowe bramkowane napięciem w błonie komórkowej miocyt wchodzi w fazę 0, a poziom napięcia zbliża się do swojego maksimum potencjału czynnościowego około +30 mV, co odpowiada całkowitemu skokowi napięcia z fazy 4 o około 120 mV.
Czym jest faza płaskowyżu?
Faza 2 potencjału czynnościowego nazywana jest również fazą plateau. Podobnie jak faza 4, reprezentuje fazę, w której napięcie na błonie jest stabilne lub prawie takie. W przeciwieństwie do przypadku w fazie 4, dzieje się to jednak w fazie czynników równoważących. Pierwsza z nich składa się z dopływającego sodu (dopływ, który nie zmniejszył się całkowicie do zera po szybkim napływie w fazie 0) i dopływającego wapnia; druga obejmuje trzy rodzaje zewnętrznych prądy prostownika (wolny, średniozaawansowany i szybki), z których wszystkie posiadają ruch potasu. Ten prąd prostownika jest ostatecznie odpowiedzialny za skurcz mięśnia sercowego, ponieważ wypływ potasu inicjuje a kaskady, w której jony wapnia wiążą się z aktywnymi miejscami na komórkowych białkach kurczliwych (np. aktyna, troponina) i przywołują je do akcja.
Faza 2 kończy się, gdy dopływ wapnia i sodu ustaje, podczas gdy wypływ potasu (prąd prostownika) jest kontynuowany, popychając komórkę w kierunku repolaryzacji.
Dziwactwa potencjału czynnościowego komórek serca
Potencjał czynnościowy komórek serca różni się na wiele sposobów od potencjałów czynnościowych nerwów. Po pierwsze, a co najważniejsze, znacznie dłużej. Jest to zasadniczo czynnik bezpieczeństwa: ponieważ potencjał czynnościowy komórek serca jest dłuższy, oznacza to: że okres, w którym pojawia się nowy potencjał czynnościowy, zwany okresem refrakcji, jest również dłuższy. Jest to ważne, ponieważ zapewnia płynny kontakt serca nawet wtedy, gdy działa z maksymalną prędkością. Zwykłe komórki mięśniowe nie mają tej właściwości i mogą w ten sposób zaangażować się w tak zwane skurcze tężcowe, co prowadzi do skurczów i tym podobnych. Jest to niewygodne, gdy mięsień szkieletowy zachowuje się w ten sposób, ale byłoby śmiertelne, gdyby mięsień sercowy zrobił to samo.