Etapele potențialului de acțiune cardiacă

Bătăile inimii sunt, probabil, asociate cu fenomenul vieții mai puternic decât orice alt concept sau proces unic, atât din punct de vedere medical, cât și metaforic. Când oamenii discută despre obiecte neînsuflețite sau chiar despre concepte abstracte, ei folosesc termeni precum „Campania ei electorală are încă un pulsul "și" Șansele echipei în linie dreaptă atunci când și-a pierdut jucătorul vedetă "pentru a descrie dacă lucrul în cauză este" viu "sau nu. Și când personalul medical de urgență întâlnește o victimă căzută, primul lucru pe care îl verifică este dacă victima are un puls.

Motivul pentru care bate o inimă este simplu: electricitatea. La fel ca multe lucruri din lumea biologiei, totuși, modul precis și coordonat prin care activitatea electrică alimentează inima să pompeze sângele vital către țesuturile corpului, de aproximativ 70 de ori pe minut, 100.000 de ori pe zi timp de decenii la rând, este minunat de elegant în Operațiune. Totul începe cu ceva numit an potențial de acțiune

Membranele celulare au ceea ce este cunoscut sub numele de gradient electrochimic în stratul bifolipidic al membranei. Acest gradient este menținut de „pompe” proteice încorporate în membrană care deplasează unele tipuri de ioni (particule încărcate) peste membrană într-unul în timp ce „pompele” similare mișcă alte tipuri de ioni în direcția opusă, ducând la o situație în care particulele încărcate „doresc” să curgă într-o direcție după ce a fost transportată în cealaltă, ca o minge care continuă să „dorească” să se întoarcă la tine în timp ce o arunci în mod repetat direct în aer. Acești ioni includ sodiu (Na⁺), potasiu (K⁺) și calciu (Ca²⁺). Un ion de calciu are o sarcină netă pozitivă de două unități, de două ori mai mare decât ionul de sodiu sau cel de potasiu.

Pentru a obține o idee despre modul în care este menținut acest gradient, imaginați-vă o situație în care câinii dintr-un parc de joacă sunt mutați într-o direcție într-un gard în timp ce caprele într-un stilou adiacent sunt transportate în celălalt, cu fiecare tip de animal intenționat să se întoarcă la locul în care este a început. Dacă trei capre sunt mutate în zona câinilor pentru fiecare doi câini mutați în zona caprelor, atunci oricine este responsabil pentru acest lucru este menținerea unui dezechilibru de mamifer peste gard care este constant peste timp. Caprele și câinii care încearcă să se întoarcă în locurile lor preferate sunt „pompate” afară în mod continuu. Această analogie este imperfectă, dar oferă o explicație de bază a modului în care membranele celulare mențin un gradient electrochimic, numit și potențial membranar. După cum veți vedea, primii ioni care participă la această schemă sunt sodiul și potasiul.

Un potențial de acțiune este o schimbare reversibilă a acestui potențial de membrană rezultată dintr - un "efect de ondulare" - o activare a curenții generați de difuzia bruscă a ionilor pe membrană scad electrochimicul gradient. Cu alte cuvinte, anumite condiții pot perturba dezechilibrul ionic al membranei în stare stabilă și pot permite ionilor să curgă în număr mare în direcția în care „vor” să meargă - cu alte cuvinte, împotriva pompei. Acest lucru duce la un potențial de acțiune care se mișcă de-a lungul unei celule nervoase (numite și neuron) sau a unei celule cardiace în același mod general în care un val va călători de-a lungul unui șir ținut aproape încordat la ambele capete dacă un capăt este „flick”.

Deoarece membrana poartă de obicei un gradient de încărcare, este considerată polarizată, adică caracterizate prin diferite extreme (mai încărcate negativ pe o parte, mai pozitiv încărcate pe celălalt). Un potențial de acțiune este declanșat de depolarizare, care se traduce vag într-o anulare temporară a dezechilibrului normal de încărcare sau o restabilire a echilibrului.

Există cinci faze potențiale de acțiune cardiacă, numerotate de la 0 la 4 (oamenii de știință obțin uneori idei ciudate).

Faza 0 este depolarizarea membranei și deschiderea canalelor de sodiu „rapide” (adică cu debit mare). Scade și fluxul de potasiu.

Faza 1 este repolarizarea parțială a membranei datorită unei scăderi rapide a trecerii ionilor de sodiu pe măsură ce canalele rapide de sodiu se închid.

Faza 2 este faza de platou, în care mișcarea ionilor de calciu în afara celulei menține depolarizarea. Își primește numele, deoarece sarcina electrică din membrană se schimbă foarte puțin în această fază.

Faza 3 este repolarizarea, deoarece canalele de sodiu și calciu se închid și potențialul membranei revine la nivelul inițial.

Faza 4 vede membrana la așa-numitul său potențial de repaus de -90 milivolți (mV) ca rezultat al activității pompei de ioni Na + / K +. Valoarea este negativă, deoarece potențialul din interiorul celulei este negativ în comparație cu potențialul din afara acesteia, iar acesta din urmă este tratat ca cadrul de referință zero. Acest lucru se datorează faptului că trei ioni de sodiu sunt pompați din celulă pentru fiecare doi ioni de potasiu pompați în celulă; reamintim că acești ioni au o sarcină echivalentă de +1, deci acest sistem are ca rezultat un eflux net sau o ieșire de sarcină pozitivă.

Deci, la ce duce de fapt toate aceste pompări de ioni și perturbarea membranei celulare? Înainte de a descrie modul în care activitatea electrică din inimă se traduce prin bătăi de inimă, este util să examinați mușchiul care produce acele bătăi.

Mușchiul cardiac (inima) este unul dintre cele trei tipuri de mușchi din corpul uman. Celelalte două sunt mușchiul scheletic, care este sub control voluntar (exemplu: bicepsul brațelor superioare) și neted mușchi, care nu este sub control conștient (exemplu: mușchii din pereții intestinelor care se mișcă digerând mâncarea de-a lungul). Toate tipurile de mușchi împărtășesc o serie de asemănări, dar celulele musculare cardiace au proprietăți unice pentru a satisface nevoile unice ale organului lor părinte. În primul rând, inițierea „bătăilor” inimii este controlată de miocite cardiace speciale sau de celule cardiace-musculare, numite celule stimulatoare cardiace. Aceste celule controlează ritmul bătăilor inimii chiar și în absența intrării nervoase exterioare, o proprietate numită autoritmicitate. Acest lucru înseamnă că, chiar și în absența aportului din sistemul nervos, inima ar putea, în teorie, să bată atâta timp cât electroliții (adică ionii menționați anterior) erau prezenți. Desigur, ritmul bătăilor inimii - cunoscut și sub numele de puls - variază considerabil, iar acest lucru se întâmplă datorită intrare diferențială din mai multe surse, inclusiv sistemul nervos simpatic, sistemul nervos parasimpatic și hormoni.

Mușchiul inimii este, de asemenea, numit miocard. Se prezintă în două tipuri: celule contractile miocardice și celule conductoare miocardice. După cum probabil ați presupus, celulele contractile fac munca de pompare a sângelui sub influența celulelor conducătoare care livrează semnalul de contractare. 99 la suta din celulele miocardice sunt din varietatea contractila, si doar 1 la suta sunt dedicate conducerii. În timp ce acest raport lasă pe bună dreptate cea mai mare parte a inimii disponibile pentru a efectua lucrări, înseamnă, de asemenea, că există un defect în celulele care formează sistemul de conducție cardiacă poate fi dificil pentru organ să ocolească folosind căi alternative de conducere, dintre care există doar așa mulți. Celulele conducătoare sunt în general mult mai mici decât celulele contractile, deoarece nu au nevoie de diferitele proteine ​​implicate în contracție; trebuie doar să fie implicați în execuția fidelă a potențialului de acțiune a mușchiului cardiac.

Faza 4 a potențialului celulelor musculare cardiace se numește interval diastolic, deoarece această perioadă corespunde diastolei, sau intervalul dintre contracțiile mușchiului cardiac. De fiecare dată când auziți sau simțiți bătăile bătăilor inimii, acesta este sfârșitul contracției inimii, numită sistolă. Cu cât inima ta bate mai repede, cu atât o fracțiune din ciclul său de contracție-relaxare o cheltuie în sistolă, dar chiar și atunci când faci exerciții fizice și îți împing pulsul în cele 200 inima ta este încă în diastolă de cele mai multe ori, făcând din faza 4 cea mai lungă fază a potențialului de acțiune cardiacă, care durează în total aproximativ 300 de milisecunde (trei zecimi de al doilea). În timp ce un potențial de acțiune este în desfășurare, nu pot fi inițiate alte potențiale de acțiune în aceeași porțiune a celulei cardiace membrană, care are sens - odată început, un potențial ar trebui să-și poată termina sarcina de a stimula un miocard contracție.

După cum sa menționat mai sus, în timpul fazei 4, potențialul electric de-a lungul membranei are o valoare de aproximativ -90 mV. Această valoare se aplică celulelor contractile; pentru celulele conducătoare, este mai aproape de -60 mV. În mod clar, aceasta nu este o valoare stabilă de echilibru sau altfel inima nu ar bate deloc niciodată. În schimb, dacă un semnal scade negativitatea valorii pe membrana celulei contractile la aproximativ -65 mV, aceasta declanșează modificări ale membranei care facilitează influxul de ioni de sodiu. Acest scenariu reprezintă un sistem de feedback pozitiv prin faptul că o perturbare a membranei care împinge celula în direcția unei valori de încărcare pozitivă generează schimbări care fac interiorul și mai mult pozitiv. Cu grăbirea spre interior a ionilor de sodiu prin aceștia canale de ioni cu tensiune în membrana celulară, miocitul intră în faza 0, iar nivelul de tensiune se apropie de potențialul de acțiune maxim de aproximativ +30 mV, reprezentând o excursie totală de tensiune de la faza 4 de aproximativ 120 mV.

Faza 2 a potențialului de acțiune se mai numește și faza platoului. La fel ca faza 4, aceasta reprezintă o fază în care tensiunea pe membrană este stabilă, sau cam așa. Spre deosebire de cazul din faza 4, acest lucru apare însă în faza factorilor de contrabalansare. Prima dintre acestea constă din sodiu care curge spre interior (fluxul care nu s-a redus la zero după afluxul rapid din faza 0) și calciu care curge spre interior; cealaltă include trei tipuri de exterior curenți redresori (lent, intermediar și rapid), toate care prezintă mișcare de potasiu. Acest curent redresor este cel care este responsabil în cele din urmă pentru contracția mușchiului cardiac, deoarece acest eflux de potasiu inițiază un cascadă în care ionii de calciu se leagă de siturile active de pe proteinele contractile celulare (de exemplu, actină, troponină) și le cajolează în acțiune.

Faza 2 se încheie atunci când fluxul interior de calciu și sodiu încetează în timp ce fluxul exterior de potasiu (curentul redresor) continuă, împingând celula spre repolarizare.

Potențialul de acțiune a celulelor cardiace diferă de potențialele de acțiune ale nervilor într-o varietate de moduri. În primul rând, și cel mai important, este mult mai lung. Acesta este în esență un factor de siguranță: Deoarece potențialul de acțiune al celulelor cardiace este mai lung, aceasta înseamnă că perioada în care apare un nou potențial de acțiune, numită perioadă refractară, este, de asemenea, mai lungă. Acest lucru este important, deoarece asigură o inimă fără probleme chiar și atunci când funcționează la viteza maximă. Celulele musculare obișnuite nu au această proprietate și se pot angaja astfel în ceea ce se numește contracții tetanice, ducând la crampe și altele asemenea. Este incomod atunci când mușchii scheletici se comportă astfel, dar ar fi mortal dacă miocardul ar face același lucru.