Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

     
Physiologie des Herzens
 
Erregungsausbreitung im Herzen
© H. Hinghofer-Szalkay

Arrhythmie: ἄρρυϑμος = unrhythmisch (ῥυθμός = Rhythmus)
Aschoff-Tawara-Knoten: Ludwig Aschoff, Sunao Tawara
Bradykardie: βραδύς = langsam, καρδιά  = muskuläres Hohlorgan, Herz
His'sches Bündel: Wilhelm His
Keith-Flack-Knoten: Arthur  Keith,  Martin Flack
Myokard: μυς = Muskel
Purkinje-Fasern: Jan Purkinje
Stannius'sche Ligaturen: Hermann Stannius
Tachykardie: ταχυ
ς = schnell


Der Herzmuskel als "funktionelles Synzytium": Alle Myokardzellen sind mit ihren Nachbarn elektrisch (über gap junctions) verschaltet. Entsteht im Herzen eine Erregung (normalerweise im Sinusknoten), pflanzt sich diese über das ganze Organ fort (soferne die Nachbarzellen erregbar sind). Die dabei auftretenden Aktionspotentiale der einzelnen Zellen erzeugen zusammen elektrische Felder, die sich über das Gewebe ausbreiten und von der Körperoberfläche als EKG-Signal ableitbar sind.

Die Erregungswelle im Herzen löst über elektro-mechanische Kopplung eine Kontraktion (einen Herzschlag) aus. An der elektromechanischen Kopplung sind Ca++-Ionen beteiligt, die teils aus dem Extrazellulärraum, teils aus dem sarkoplasmatischen Retikulum der Kardiomyozyten stammen.

Aufbau und Eigenschaften des Herzmuskels ergeben einen physiologischen Erregungsablauf, der die Pumpfunktion des Herzens optimiert. Spezielle Zellen dienen der Erregungsbildung (Sinusknoten im Vorhof) und Reizleitung (AV-Knoten und His-sches Bündel an der Grenze zu den Ventrikeln, Kammerschenkel und Purkinje-Fasern in den Kammern). Der Sinusknoten gibt die Herzfrequenz vor (kardialer Schrittmacher); der AV-Knoten sitzt wie ein elektrophysiologischer Pförtner vor den Ventrikeln und bestimmt, wann und ob Aktionspotentiale von Vorhof- auf Kammergewebe weitergegeben werden; das His-Bündel leitet die Erregungswelle weiter und verteilt sie auf die Kammerschenkel, die zusammen mit den Purkinje-Fasern die Aktionspotentialwelle räumlich-zeitlich optimiert auf beide Ventrikel verteilen.

Verzögerte Repolarisierung (Plateauphase des Aktionspotentials) verlängert die Refraktärzeit, in der die Zellen unerregbar (weiterer Reizung nicht zugänglich) sind. Das schützt den Kontraktionsablauf - das Myokard ist untetanisierbar. Erregbarkeit und Aktionspotentialform der Zellen werden durch zahlreiche verschiedene Ionenkanäle in deren Membran reguliert. Diese sind auch Ansatzpunkt spezieller herzwirksamer Pharmaka.

Autonome (vegetative) Nervenfasern beeinflussen die Eigenschaften des Herzmuskelsystems: So bremst im Ruhezutand parasympathischer Einfluss die Spontanentladungsfrequenz des Sinusknotens (~100/min) auf etwa 60/min (Ruhefrequenz); sympathische Aktivität steigert Herzfrequenz und Schlagkraft (positiv chronotrope und inotrope Wirkung).


Ruhepotential   Aktionspotential Schrittmacherzelle Reizleitungssystem Erregungsausbreitung  Einfluss des autonomen Nervensystems    Praktische Aspekte

Core messages
   
Das Herz schlägt autonom. Es wurde schon früh beobachtet, dass ein Herz auch dann noch weiterschlägt, wenn es aus dem Körper entfernt wird (z.B. Opferkult der Azteken, oder im Rahmen "klassischer" Physiologieübungen: Spontan schlagendes isoliertes Froschherz). Das bedeutet, dass es zur Auslösung eines Herzschlags keiner Anregung von außen bedarf (wie dies beim Skelettmuskel der Fall ist, der durch Aktionspotentiale von motorischen Vorderhornzellen aktiviert wird, also auf Steuerimpulse aus dem Zentralnervensystem angewiesen ist).
 
Die ruhende Arbeitsmyokardzelle
 

Die große Mehrheit der Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten) gehört zum "Arbeitsmyokard", das so heißt, weil seine Aufgabe die Kontraktion ist (und nicht die Erregungsbildung). Solange Arbeitsmyokardzellen nicht gereizt werden oder pathologisch verändert sind, haben sie ein konstantes Ruhepotential. Dieses entsteht im Wesentlichen durch Diffusion von Kaliumionen aus der Zelle heraus.

Wie bei anderen Zellen auch, ist die Na/K-ATPase ("Pumpe") Grundlage des zugrunde liegenden Konzentrationsunterschieds ([Na+]: innen / außen ~1/14, [K
+]: innen / außen ~35/1):
 
 
Ruhende Arbeitsmyokardzelle: Ionenkonzentrationen, pH und Gleichgewichtspotenziale
 
Nach Herring / Paterson: Levick's Introduction to Cardiovascular Physiology, 6th ed. 2018

Intrazellulär
(mM)
Extrazellulär
(mM)
Gleichgewichts-
potenzial
(mV)
K+ 140
4
-94
Na+ 10
140
+70
Ca++
0,0001
1,2
+124
Cl-
30
120
-37
pH
7,0 - 7,1
7,4

 
Die Gleichgewichtspotenziale lassen erkennen, dass - bei einem Ruhemembranpotenzial der Herzmuskelzelle von -80 bis -90 mV - Na+ und (besonders intensiv) Ca++ in die Zelle diffundierten würde. Wie verhält es sich mit der Permeabilität der Zellmembran (des Sarkolemms) für diese Ionen?

Natrium
ionen gelangen trotz des nach innen gerichteten elektrochemischen Gradienten kaum
durch die Membran, da die Natriumkanäle während des Ruhepotenzials geschlossen sind. (Ein geringer Natrium-"Leckstrom" (backgroud leak, inward backgroud current) reduziert das Ruhepotenzial auf einen Betrag, der etwas unter dem des K+-Gleichgewichtspotenzials von -94 mV liegt.)

Ähnlich verhält es sich für Kalzium: Auch Ca++-Ionen prallen sozusagen an der Zellmembran ab und können in unerregte Zellen nicht eindringen. 


Anionen wie Phosphat oder geladene Aminosäuren können umgekehrt die Zelle (mangels geeigneter Permeasen) nicht verlassen.
 

 
>Abbildung: Elektrochemische Gradienten für Natrium und Kalium in einer nicht-erregten Herzmuskelzelle
Nach einer Vorlage bei Hilal-Dandan / Brunton, Goodman & Gilman's Manual of Pharmacology and Therapeutics, 2nd ed., McGraw Hill Education 2014

Kaliumkanäle offen (links), Natriumkanäle geschlossen (rechts). Kalium ist in, Natrium außerhalb der Zelle angereichert. Bei Vorliegen des Ruhepotenzials (Herzmuskelzelle: -80 bis -90 mV, nahe dem Kalium-Gleichgewichtspotenzial von -94 mV) kann nur Kalium (durch Kir-Kanäle) die Membran passieren. Das Ruhepotenzial hält die Natriumkanäle geschlossen


Für Kalium ist die Situation anders. "Einwärts-gleichrichtende" Kaliumkanäle (Kir: ir = inward rectifying) haben beim Betrag des Ruhepotenzials eine relativ hohe "Offen"-Wahrscheinlichkeit und ermöglichen Kaliumionen, aus der Zelle zu diffundieren (outward background current, >Abbildung). Die Zahl verschiedener Kaliumkanäle im menschlichen Genom ist hoch (spannungsabhängige, kalziumabhängige, Kir-Kanäle). Kir-Kanäle wurden so benannt, weil sie bei Hyperpolarisation Kalium in die Zelle lassen; die Bezeichnung "Einwärts-Gleichrichter" ist irreführend, da diese Kanäle physiologischerweise Kalium aus der Zelle diffundieren lassen und damit das Ruhepotential stabilisieren.

Groß ist der Betrag des Kaliumaustritts nicht, da das Ruhepotential (
-80 bis -90 mV) nahe am Gleichgewichtspotential für Kalium liegt (-94 mV, s. Tabelle). Bereits ein einziges ausgetretenes Kaliumion pro ~1015 Ionenpaaren in der Zelle kreiert eine Membranpotential von -80 mV.

Bei Depolarisierung der Herzmuskelzelle nimmt die Leitfähigkeit der
Kir-Kanäle ab, die Zelle verliert weniger Kalium ("inward rectifying"!) - wichtig vor allem während des langen Aktionspotentials mit dem Plateau nahe der Nulllinie.

Die Na/K-ATPase stabilisiert währenddessen die Ionenkonzentrationen. Sie befördert Kaliumionen aktiv in die Zelle (im Austausch gegen Natriumionen im Verhältnis 2:3). Zusammen mit dem outward background current durch die Kir-Kanäle wird so der Natrium-Leckstrom in die Zelle kompensiert ("pump-leak" model) und das Membranpotential auf -80 bis -90 mV gehalten.

Erhöht sich die extrazelluläre Kaliumkonzentration z.B. auf 10 mM - was bei Nierenversagen (systemisch) oder Ischämie des Herzmuskels (lokal) auftreten kann -, ergibt sich ein Kalium-Gleichgewichtspotential von -70 mV, und das Myokard würde um ~20 mV depolarisiert. Hyperkaliämie depolarisiert die Herzmuskelzelle; das kann Arrhythmien verursachen.

Im Zytosol vorhandenes Ca++ wird im Austausch gegen jeweils 3Na+ unter Ausnützung des transmembranalen Natriumgradienten stetig aus der Zelle entfernt - dieser Na/Ca-Austauscher übernimmt ca. 75% des Ca++-Auswärtstransportes des Kariomyozyten, den Rest übernehmen Ca++-Pumpen. Zusammen bewirken diese Transportsysteme die niedrige Ca++-Konzentration (10-7 M) im Zytosol der ruhenden Herzmuskelzelle.

In ähnlicher Weise entfernen
Na/H-Austauscher (NHE) H+-Ionen aus der Herzmuskelzelle durch Austausch gegen Natrium. Na+ wird dann über die Na/K-Pumpe aktiv wieder aus der Zelle gebracht.

Mindendurchblutung (Ischämie) bedingt Sauerstoffmangel, reduziert die Verfügbarkeit von ATP und damit die Aktivität der Na/K-ATPase, steigert die intrazelluläre Natriumkonzentration, senkt den Gradienten für den
Na/H-Austauscher, Wasserstoffionen reichern sich im Zytosol an, der intrazelluläre pH-Wert sinkt (Azidose).
 
Aktionspotential
 
Das Ruhepotential des Arbeitsmyokards wird im Rahmen der Erregungsausbreitung im Herzen - aus der Perspektive der einzelnen Zelle "von außen" her (durch erregte Nachbarzellen) - gestört. Dann erfolgt ein Aktionspotential. Dieses ist einerseits geprägt durch
 
      blitzartigen Natriumeinstrom (wie bei Nervenzellen), was rasche Depolarisierung und Erregungsausbreitung ermöglicht;
      andererseits durch lange Refrakterität, was die Zelle vor "irregularen" Erregungen und Arrhythmien schützt. Diese Refraktärperiode - gekennzeichnet durch das "Plateau" im Aktionspotentialverlauf - verhindert vorzeitige Wiedererregung und gewährleistet ordnungsgemäße Synchronisation der pumpenden Muskelzellen.
 

 
 
<Abbildung: Spannungssensitiver Natriumkanal
Nach einer Vorlage bei Hilal-Dandan / Brunton, Goodman & Gilman's Manual of Pharmacology and Therapeutics, 2nd ed., McGraw Hill Education 2014

Spannungsgesteuerte Natriumkanäle reagieren auf den Betrag des Membranpotentials. Sie sind aus jeweils 4 (fast identen) Domänen aufgebaut (grün). Ist die Membran aufgeladen bzw. hyperpolarisiert, sind die Natriumkanäle verschlossen und blockieren den Na+-Einstrom (links). Depolarisierung führt zu einer Konformationsänderung, der Kanal öffnet und Natrium strömt in die Zelle (Mitte).
 
Sehr rasch (~1 ms) kommt es dann zu einer weiteren Konformationsänderung, und ein (durch die Kugel symbolisierter) Teil des Porenkomplexes verschließt den Kanal, der dadurch in einen dritten, inaktivierten Zustand gerät und den Natriumeinstrom beendet (rechts).
 
Erst wenn die Zelle repolarisiert, stellt sich der "geschlossene" - und damit erregbare - Zustand (links) wieder her


Spannunsgesteuerte (voltage gated) Natriumkanäle des kardialen Typs (Nav1.5, fast sodium channels) liegen vor allem in der Nähe von Glanzstreifen (interzelluläre Kontaktzonen mit gap junctions und Desmosomen). Sie durchlaufen einen Zyklus von aufeinander folgenden Zuständen, die Natriumionen durch sie hindurchtreten lassen - oder nicht (<Abbildung). Dabei reagieren sie auf den Betrag des aktuellen Membranpotentials:
 

      Im Ruhezustand (Ruhepotential) liegen sie in einem durch einen Teil des Porenkomplexes blockierten Zustand vor, sie sind "geschlossen".
 
      Depolarisiert die Zelle über den Betrag des Schwellenpotentials (-60 bis -65 mV) - weil sie im Zuge einer Erregungsausbreitung von Nachbarzellen gereizt wird -, kommt es zu einer sterischen Umlagerung im Proteinkomplex, und der Kanal ist "offen", die Permeabilität steigt auf das 100-fache, Natrium strömt ein (fast inward current iNa: ~104 Ionen pro Millisekunde). Der Natriumkanal funktioniert spannungsabhängig (er öffnet bei einem bestimmten Potential) und zeitabhängig (die Öffnungszeit ist limitiert).
 
      Nach etwa einer Millisekunde im depolarisierten Zustand verändert sich die Gestalt des Kanals wiederum: Ein anderer Teil des Porenkomplexes legt sich in die Öffnung und "inaktiviert" - d.h. verstopft - den Kanal, der Natriumeinstrom versiegt. So wird das Natrium-Gleichgewichtspotential (+70 mV) nie erreicht, die Spitze des Aktionspotentials liegt bei +30 bis +40 mV.

Erst wenn die Zelle repolarisiert (was auf Grund der langen Refraktärzeit einige Zehntelsekunden dauert), stellt sich die "geschlossene" Konformation wieder ein, die im Gegensatz zur "inaktivierten" jederzeit wieder durch Depolarisierung beendet werden kann.

Die Depolarisierung der Herzmuskelzelle zieht eine ganze Reihe weiterer Änderungen in verschiedenen Membrankanälen nach sich; einige Kanäle öffnen, andere schließen, und das mit unterschiedlicher Intensität und Zeitcharakteristik ((>Abbildung). Dieses komplexe Zusammenwirken verschiedener Ionenströme ergibt das charakteristische Aktionspotential einer Herzmuskelzelle. Je nach der zellulären Expression / Ausstattung mit Kanalproteinen nimmt dieses unterschiedliche Form und Dauer an.
 
  
>Abbildung: Aktionspotential (Zelle im Reizleitungssystem) und Ionenströme durch die Zellmembran
Nach einer Vorlage bei Hilal-Dandan / Brunton, Goodman & Gilman's Manual of Pharmacology and Therapeutics, 2nd ed., McGraw Hill Education 2014

Phase 0:  Bei Überschreiten des Schwellenwertes strömt Na+ durch spannungssensitive Natriumkanäle ein. Zentrale Sinusknotenzellen exprimieren diesen Kanal nicht - im Sinusknoten strömt Ca++ durch L-Typ-Kalziumkanäle ein, was langsamere Depolarisierung bewirkt.
 
Phase 1: Die Natriumkanäle schließen wieder, transienter Kalium-Ausstrom (ITO) wirkt leicht repolarisierend. Durch L-Typ Ca++-Kanäle strömt Ca++ ein.
 
In der Plateauphase (Phase 2) halten sich depolarisierende (L-Typ Ca++-Kanäle) und repolarisierende Ströme (IKr, IKs) für 200-400 ms etwa die Waage (zum Vergleich: Aktionspotentiale von Nerven- oder Skelettmuskelzellen dauern 1-4 ms). Das Membranpotential ist leicht negativ (0 bis -20 mV)
 
 In Phase 3 (Repolarisierungsphase) überwiegt der (repolarisierende) Kalium-Ausstrom; die Ca++-Kanäle sind inaktiviert. Mehrere Kaliumkanäle wirken zusammen, die als transient-outward (TO), ultra-rapid (ur), rapid (r) und slow (s) delayed-rectifier bezeichnet werden.
 
Während des Aktionspotentials eingeströmtes Natrium und Kalzium wird durch Na+/K+-ATPase und Na+-Ca++-Austauscher aus der Zelle entfernt.
 
Phase 4: In Schrittmacherzellen bewirkt ein durch Hyperpolarisation aktivierter "Schrittmacherstrom" (If) Natrium- und Kaliumeinstrom und damit spontane Depolarisierung. Dieser Mechanismus fehlt im Arbeitsmyokard, dessen Ruhepotential stabil ist

Die Anteile des Aktionspotentials werden als Phasen bezeichnet (Phase 0 bis Phase 4, >Abbildung):
   Depolarisationsphase: In der ersten Phase (Phase 0) des Aktionspotentials ("Aufstrich") erfolgt (reizbedingt) nach einer Depolariation auf mindestens -55 mV (Schwellenpotential) rascher Natriumeinstrom durch spannungsgesteuerte Na+-Kanäle (wie bei Nervenfasern) und explosionsartige Depolarisation. Da das Natrium-Gleichgewichtspotential etwa +70 mV beträgt, kommt es zur Umpolung der Zelle.
 
Etwa 10 Millisekunden nach Auftreten der Phase 0 beginnt sich der Myozyt zu kontrahieren; die Kontraktion dauert 200-250 ms.

 

Die Zellen des Sinusknotens exprimieren keine Natriumkanäle; hier strömt  Ca++ durch L-Typ-Ca++-Kanäle ein, was langsamere Depolarisierung bewirkt (s. Phase 2).
 
   Anschließend ("Spitze" des Aktionspotentials) werden die Natriumkanäle inaktiviert, der Einstrom von Na+ kommt zum Stillstand. Kalium- und Chloridionen können sich weiterhin durch die Membran bewegen - Kalium durch KTO-Kanäle aus der Zelle (transient outward current iTO), Chlorid durch Cl--Kanäle in die Zelle. Beides zusammen bewirkt eine erste kurze Repolarisation (Phase 1). Subepikardiale und Purkinje-Zellen zeigen eine ausgeprägte Phase 1; deren Bedeutung liegt in der Intensivierung des Ca++-Einstroms.
 
   Plateauphase (Phase 2): Verzögerte Repolarisationsphase. Mit dem explosiven Einstrom von Na+ beginnt auch der Einstrom von Ca++ durch L-Typ-Ca++-Kanäle (DHPR: Dihydropyridinrezeptoren), die besonders dicht in T-Tubuli vertreten sind. Dieser Kalziumstrom iCa erreicht schon in Phase 1 etwa 40% seines Maximums. Sein Betrag ist niedriger als derjenige durch rasche Natriumkanäle, aber gerade groß genug, um den Effekt des Kaliumausstroms aus der Zelle zu kompensieren; das Membranpotential bleibt nahe 0 mV stabilisiert (Plateau). Während Na+-Kanäle nach ihrer explosiven Öffnung innerhalb weniger Millisekunden wieder verschlossen sind, erreicht der Ca++-Einstrom sein Maximum nach 2-7 ms und bleibt dann lange erhalten, wenn auch mit sinkender Tendenz - die Kanäle inaktivieren nur langsam.

Die Länge des Herzmuskel-Aktionspotentials sowie die Kontraktion selbst
hängen wesentlich vom langsamen Kalziumeinstrom (iCa) in die Zelle ab. Dieser stimuliert die Freisetzung von Ca++ aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (durch Ryanodinrezeptor-Kanäle), dies unterhält die elektromechanische Kopplung und damit den Herzschlag. Katecholamine erhöhen den Ca++-Einstrom und intensivieren so den Herzschlag; das Aktionspotential einer Einzelzelle zeigt dabei eine Positivierung ("Buckel") der Plateauphase.
 
In der Plateauphase öffnen spannungsabhängige L-Typ- Ca++-Kanäle. Hemmung dieser Kanäle verkürzt die Plateauphase des Aktionspotentials.
 
Zytoplasmatisches Ca++ wird durch eine Ca++-ATPase in das sarkoplasmatische Retikulum zurückgepumpt. Gleichzeitig fördert ein Na+/Ca++-Antiporter - angetrieben durch den Natriumgradienten - Ca++ aus der Zelle: 1 Ca++ wird gegen 3 Na+ getauscht (elektrogen: die Zelle wird depolarisiert). Dieser - durch das erhöhte sarkoplasmatische [Ca++] angetriebene - Natriumeinstrom in der späten Phase 2 hilft das "Plateau" des Aktionspotentials zu erhalten, während die Leitfähigkeit der L-Typ-Ca++-Kanäle stetig abnimmt.

   L-Typ-Ca++-Kanäle werden durch Ca++-Kanalblocker ("Kalziumblocker", "Kalziumantagonisten") wie Verapamil, Diltiazem oder Dihydropyridine teilweise inaktiviert. Diese Stoffgruppe wird zur Schonung des Myokards eingesetzt, z.B. bei Durchblutungsstörungen (Angina pectoris) oder Bluthochdruck.

Während der Phasen 1 und 2 ist die Herzmuskelzelle absolut refraktär (unerregbar). Die Dauer der Refraktärperiode hängt von der jeweiligen Ausstattung mit, und Interaktion von Ionenkanälen ab. Sie reduziert sich mit steigender Herzfrequenz (Sympathikuswirkung: Beschleunigung des Kaliumausstroms, s. unten). Am Ende der Refraktärzeit ist der Myozyt dabei, zu relaxieren (der Herzmuskel ist "untetanisierbar", was für seine Funktion als Pumpe entscheidend ist).
 
    In der Plateauphase werden depolarisierende Ionenströme (Ca++-Einstrom, Na+/Ca++-Antiporter) durch K+-Ströme aus der Zelle ausbalanciert. Im depolarisierten Zustand ist der Kaliumstrom iKir durch die "delayed-rectifier"-Kaliumkanäle - durch Anlagerung von Magnesiumionen und Polyaminen an der Kanalinnenseite - ohnehin reduziert; auf diese Weise wird die Zahl der ausströmenden K+- und einströmenden Ca++-Ionen während der lange dauernden Phase 2 gering gehalten und damit Energie gespart.
 

  Die Bedeutung von Ca++-Ionen für die Herzfunktion wurde zufällig im Labor des britischen Physiologen und Pharmakologen Sidney Ringer (berühmt vor allem durch die nach ihm benannte Ringer-Lösung, die neben Natrium- und Kalium- auch Kalziumchlorid enthält) entdeckt: Statt destilliertem Wasser verwendete sein Assistent bei der Zubereitung von NaCl- und KCl-Lösungen Leitungswasser, dessen  [Ca++] ähnlich hoch wie im Blut ist (die Beobachtung erfolgte in einem Labor in London). Der Effekt war, dass isolierte Herzpräparate viel länger schlugen als bei Verwendung einer kalziumfreien Flüssigkeit. Erst später erkannte man die Bedeutung extrazellulären Kalziums für die elektromechanische Kopplung im Herzen (transversales Tubulussystem).
 
  Endgültige Repolarisation (Phase 3): Schließlich kommt es zu verstärktem Kaliumausstrom durch "untraschnelle" (Kur: ultra-rapid), "schnelle" (Krrapid) und "langsame" (Ks: slow) Kaliumkanäle bei gleichzeitig versiegendem Ca++-Einstrom. Später kommen noch weitere Kaliumkanäle dazu, wie KP (p für Plateau) oder K1. Auch ein Chloridkanal (KCl) mischt mit. Die Membran repolarisiert sich rasch zum Ruhepotential ("Abstrich") und die Zelle ist wieder erregbar: Ab -50 mV Membranpotential wechseln einige der "schnellen" Natriumkanäle vom "inaktivierten" zum "geschlossenen" (und damit aktivierbaren) Zustand zurück. (Da einige Kanäle noch nicht aktivierbar sind, bedarf es während der relativen Refraktärperiode eines verstärkten Reizes, um die Zelle zu erregen.)

Erhöhter Sympathikustonus steigert den repolarisierenden Kaliumausstrom und verkürzt das Aktionspotential. Das ist notwendig, um Zeit für höhere Schlagfrequenzen einzusparen.
 
  Hypokaliämie reduziert den Kaliumausstrom durch Kr und stört so die Repolarisationsphase (EKG: ST-Senkung, T-Welle abgeflacht, evt. U-Welle).
 
  Defekte Ionenkanäle (Natrium, Kalium) können eine Verlängerung der QT-Zeit (Long-QT-Syndrom) und Herzrhythmusstörungen bewirken.
 
   Phase 4: Im Arbeitsmyokard ist das Ruhepotential stabil und wird erst durch die Ankunft einer Erregungswelle unterbrochen. In Schrittmacherzellen bewirkt ein durch Hyperpolarisation aktivierter "Schrittmacherstrom" (If) Kationeneinstrom und damit spontane Depolarisierung. Einer der verantwortlichen Kanäle ist der durch zyklische Nukleotide angeregte HCN-Kanal, der sowohl für Na+ als auch für K+ durchgängig ist. Auch fehlen Schrittmacherzellen inward-rectifier-Kaliumkanäle, die im Arbeitsmyokard das Ruhepotential stabilisieren.

Die folgende Tabelle vergleicht beispielhaft myokardiale Ionenkanäle und ihre funktionelle Bedeutung:
 
Kanal
Gating- Mechanismus
Strom
Funktion
K+ (inward rectifier)
Potential
iir oder iK1
Erhält hohe Kaliumpermeabilität in Phase 4
Abfall trägt zu diastolischer Depolarisierung bei
In Phase 0 bis 2 unterdrückt (Beitrag zu Plateau)
Na+ (fast): Rascher Natriumkanal an Nicht-Schrittmacherzellen
Potential
iNa
Phase 0 des Aktionspotentials
K+ (transient outward) Nicht-Schrittmacherzellen Potential
ito
Beitrag zu Phase 1 des Aktionspotentials
Ca++ (slow inward, L-Typ)
Langsamer, langanhaltender Einstrom
Beides
iCa-L
Beitrag zu Phase 2 des Aktionspotentials von Nicht-Schrittmacherzellen
Beitrag zu Phase 4 und 0 an Schrittmacherzellen
Verstärkt durch Sympathikus / ß-adrenerge Substanzen
K+ (delayed rectifier)
Potential
iK
Bewirkt Phase 3 des Aktionspotentials
Verstärkt durch erhöhtes intrazelluläres [Ca++]
K+ (ATP sensitiv)
Ligand
iKATP
Erhöht Kaliumpermeabilität bei niedrigem [ATP]
K+ (Azetylcholin-aktiviert) Ligand
iKACh
Vermittelt parasympathische Effekte (cholinerg)
Reduziert diastolische Depolarisierung und Herzfrequenz
Erhöht Ruhepotential
Verkürzt Phase 2 des Aktionspotentials
Na+, Ca++, K+
(Langsamer Na+- bzw. HCN-Kanal: Schrittmacherwirkung)
Beides
if ("funny")
Aktiviert durch Hyperpolarisierung und zykl. Nukleotide
Trägt zu diastolischer Depolarisierung bei
Verstärkt durch Sympathikus / ß-adrenerge Substanzen
Durch parasympathischen Einfluss abgeschwächt

Modifiziert nach
Mohrman DE / Heller LJ, Cardiovascular Physiology, 8th ed. McGraw Hill 2014

    Die während eines Aktionspotentials über die Membran ausgetauschte Menge an Natrium- und Kaliumionen ist sehr gering ([Na+] in der Zelle steigt um ~0,02%, [K+] sinkt um ~0,001% der in der Zelle enthaltenen Menge). Die Na/K-Pumpe läuft kontinuierlich und stabilisiert die zellulären Ionenkonzentrationen.
    

<Abbildung: Aktionspotential, intrazelluläre Kalziumkonzentration und Kontraktionskraft einer Arbeitsmyokardzelle
Nach Scoote Ml,  Poole-Wilson PA, Williams AJ. The therapeutic potential of new insights into myocardial excitation-contraction coupling. Heart 2003; 89: 371-6

Die Verfügbarkeit freien Kalziums (rot) nimmt während der Refraktärperiode laufend ab. Elektromechanische Kopplung und Kraftentwicklung erfolgen in der Frühphase der Systole am effizientesten


Dauer des Aktionspotentials: Insgesamt dauert das gesamte Aktionspotential bei niedriger Herzfrequenz (Ruhezustand) ~350 ms, bei hoher Frequenz (Aufregung, Muskelarbeit, Hitzeeinwirkung) weniger als 200 ms.

Die Refrakterität (Unerregbarkeit) der Herzmuskelzellen gliedert sich in folgende Phasen:

      Im inaktiven Zustand (s. oben) sind Natriumkanäle auch bei stärksten Reizen nicht aktivierbar, die Zelle ist absolut refraktär (Phase 0 bis Beginn der Phase 3).

     In der Übergangsphase zwischen 100% inaktiven und 100% wieder "erholten" Natriumkanälen - also während des späten Aktionspotentials - ist die Zelle relativ refraktär (späte Phase 3). Aktionspotentiale sind in diesem Zustand zwar auslösbar, aber sie dauern kürzer und ihre Anstiegsflanke ist flacher also sonst.

Der Sinn der langen Refrakterität der Herzmuskelzellen besteht darin, dass dadurch ein Schutz des synchronisierten Kontraktionsablaufes (Vorhöfe, dann Ventrikel) gegeben und eine Störung der geordneten Pumpwirkung (durch allfällige zusätzliche Reizung während der Systole) möglichst ausgeschlossen ist.
 
Was löst die Erregung einer Herzmuskelzelle aus?
 
Allgemeine Eingenschaften spontanaktiver Herzmuskelzellen Sinusknoten Nachgeschaltetes Erregungsleitungssystem
 
Die Zellen des Reizleitungs- bzw. "Erregungssystems" (Sinusknoten, AV-Knoten etc) haben vorwiegend kalziumbetriebene Aktionspotentiale (>Abbildung). Sinusknotenzellen haben wesentlich weniger Kir-Kaliumkanäle als das umgebende Myokard, dafür verfügen sie über spannungsabhängige Kaliumkanäle (Kv). Daher erreicht Membranpotential lediglich -50 bis -70 mV (Arbeitsmyokard -80 bis -90 mV) und ist instabil ("Schrittmacherpotential"). Die Steilheit des Schrittmacherpotentials bestimmt den Zeitpunkt des Überschreitens der Reizschwelle und damit die Herzfrequenz. Sie wird von mehreren Ionenströmen beeinflusst: Natriumeinstrom, Kalziumeinstrom durch verschiedene Ionenkanäle.
 

 
>Abbildung: Aktionspotential einer Sinusknotenzelle

Die Zahlen geben die Phasen des Aktionspotentials an, gestrichelte Linien Schwellenpotential und Zeitpunkt des Aktionspotential-Starts. Leitfähigkeitsverläufe sind für Kalzium- und Kaliumionen gezeigt

Spannungsabhängige Ionenkanäle (voltage gated ion channels) fungieren dabei als Spannunssensoren. Ihre Öffnungswahrscheinlichkeit ist abhängig von

      dem aktuellen Membranpotential

      den intra / extrazellulären Ionenkonzentrationen

      der Anwesenheit zyklischer Nukleotide an Schrittmacherpermeasen

      dem Phosphorylierungsgrad von Kalziumkanälen
 
Infolge der speziellen Austtattung der Membran mit Ionenkanälen kommt es zu spontaner Depolarisation: Die Leitfähigkeit für K+-Ionen nimmt ab, die für Na+- und Ca++-Ionen zu (Schrittmacherpotential), bis das Schwellenpotential erreicht ist und ein Aktionspotential auftritt - ohne äußere Reize (Autorhythmie).

Im Detail:


 
   Nach einem vorausgegangenen Aktionspotential wird ein maximaler Membranpotentialwert (-50 bis -80 mV) erreicht.

 
   Dann kommt es zu spontaner Depolarisierung infolge Aktivierung von "schrittmacheraktiven" HCN-Kanälen - nukleotidregulierten unspezifischen Kationenkanälen, die in dieser Phase wegen der Lage des Natrium-Gleichgewichtspotentials vor allem Natriumionen durch die Membran eintreten lassen, was die Zelle depolarisiert.
  
Rasche Depolarisation von Kardiomyozyten ("Aufstrich" des Aktionspotentials) beruht meist auf einem Einstrom von Na+ durch spannungsabhängige Na+-Kanäle.
    
     Bei Erreichen des Schwellenpotentials (-40 bis -55 mV) entsteht ein Aktionspotential, das Ca++-betrieben ist.

     Die Repolarisation erfolgt durch Aktivierung spannungsgesteuerter Kaliumkanäle. Nach dem Gipfel des Aktionspotentials (mit nunmehr geschlossenen Kalziumkanälen) führt Kaliumausstrom zu Repolarisation, das Ruhepotential wird wieder erreicht, und das Spiel (spontane Depolarisation...) beginnt von neuem.
  
 
In der Repolarisierungsphase schließen die L-Typ- Ca++-Kanäle und es öffnen spannungsgesteuerte K+-Kanäle - K+ strömt ein, die Zelle repolarisiert.
 
Vor dem nächsten Aktionspotential befördern
Ca++-ATPasen sowie Na+/Ca++-Antiporter (NCX) Kalziumionen aus der Myokardzelle bzw. in das Sarkoplasma.
 

<Abbildung: Reizleitungssystem im Herzen
Nach Robbins J, Dorn GW, Listening for hoof beats in heart beats. Nature Medicine 2000; 6: 968-70

Zahlen: Zeitpunkt der Ankunft der Erregungswelle (in Sekunden) nach Beginn der Entladung des Sinusknotens (Zeitpunkt 0)

Das System der Erregungsbildung und Reizleitung im Herzen besteht aus Sinusknoten (physiologischer Schrittmacher), Atrioventrikular (AV-) knoten, His'schem Bündel (elektrophysiologische Verbindungsbahn von Vorhof- zu Kammerbereich), Kammerschenkeln und Purkinje-Fasern (optimierte Aufteilung der Erregung im Kammerbereich).
  
Sinusknoten
 
Der Sinusknoten ist ein ~20 mm langes und ~4 mm dickes spindelförmiges Gebilde aus kleinen, modifizierten Herzmuskelzellen (wenig Myofibrillen, kein stabiles Membranpotential) in der dorsalen Wand des rechten Vorhofs nahe am Ansatz der v. cava superior. Der Name leitet sich aus dem Umstand ab, dass sich der Sinusknoten aus dem sinus venosus entwickelt hat.

E
in "Schrittmacherstrom" (If , funny current) durch unspezifische Kationenkanäle (HCN-Kanäle) bewirkt die spontane Depolarisierung an Schrittmacherzellen (nicht im Arbeitsmyokard, dem dieser Mechanismus fehlt). Umgekehrt exprimieren Sinusknotenzellen keine einwärtsgleichrichtenden Kaliumkanäle (Kir), die im Arbeitsmyokard für ein stabiles Ruhepotential sorgen.
 
 
Einstrom von Ca++-Ionen (funny current If ) durch HCN-Kanäle depolarisiert Schrittmacherzellen.
 
Hemmung der HCN-Kanäle verlangsamt die Schlagfrequenz des Herzens (negativ chronotrope Wirkung).

    
Sympathikuseffekt: An Sinusknotenzellen regt die ß1-Rezeptor-mediierte Aktivierung von GS-Proteinen die Adenylatzyklase an; [cAMP] steigt in der Zelle, dies erhöht die Öffnungswahrscheinlichkeit von HCN-Kanälen, und der depolarisierende Kationeneinstrom if nimmt zu. Dadurch steigt die Entladungsrate, da das Schwellenpotential früher erreicht wird als ohne adrenerge Wirkung.

 
   Ab einem Membranpotentialwert von -40 mV werden spannungsgesteuerte Kalziumkanäle aktiviert. Das bedingt im Schrittmachergewebe die (relativ langsame) Depolarisation (>Abbildung oben). Der Ionenkanal vermittelt einen T-Typ-Ca++-Strom (ICa,T), wobei "T" für  transient steht, da der Ionenstrom rasch wieder abreißt. Aktivierung von β1-Adrenozeptoren führt über cAMP zur Aktivierung von Proteinkinase A, welche Ca++-Kanäle phosphoryliert und ihre Offenwahrscheinlichkeit steigert; dadurch wird auch vermehrt Ca++ aus dem sarkoplasmatischen Retikulum mobilisiert, die Zelle depolarisiert rascher (positiv chronotrope Wirkung von Katecholaminen).

 
   Die Repolarisation erfolgt durch Aktivierung spannungsgesteuerter Kaliumkanäle - wie im Arbeitsmyokard. Bei Erreichen des maximalen diastolischen Membranpotentials sinkt die K+-Leitfähigkeit wieder, die Schrittmacherzelle depolarisiert erneut. Vor dem nächsten Aktionspotential befördert ein Na+/Ca++-Antiporter (NCX) Kalziumionen aus dem Sarkoplasma.
  
Bei Erreichen des maximalen diastolischen Membranpotentials sinkt die K+-Leitfähigkeit wieder, die Schrittmacherzelle depolarisiert erneut.
   
Lage und Abfolge der Potentiale und Erregungsphasen unterscheiden sich im Schrittmachergewebe in mehreren Aspekten vom Arbeitsmyokard:

   Niedrigeres Ruhepotential (-60 mV im Sinusknoten, ~ -80 mV im Arbeitsmyokard)
 

   Spontane Depolarisation in Phase 4 (Schrittmacherstom If)

   Kalzium- statt raschem Natriumeinstrom bei Aktionspotentialbeginn

Vom Sinusknoten (sino-atrialer, SA-, Keith-Flack-Knoten) im rechten Vorhof gehen so (bei Ruhebedingungen) etwa im Sekundentakt Erregungswellen aus (bei psychischer oder physischer Belastung öfter). Verringerung des parasympathischen Einflusses steigert die Herzfrequenz, Anstieg des sympathischen ebenfalls (s. unten). Erhöhte Konzentration an Schilddrüsenhormonen steigert die Herzfrequenz. Auch die Körpertemperatur beeinflusst die Herzfrequenz: Pro °C Anstieg nimmt die Pulsfrequenz um ~8 Schläge pro Minute zu.
 
     Die unbeeinflusste "intrinsische" Spontanentladungsfolge des Sinusknotens beträgt etwa 100/min. Im Ruhezustand senkt der Parasympathikus (cholinerg) die Frequenz durch Verstärkung des Ruhepotentials und Verflachung des Schrittmacherpotentials (Ruhepuls normalerweise ~60/min: "Normokardie"); starke Parasympathikuswirkung kann die Spontanentladungsfolge weiter senken (<60/min, Bradykardie ), extrem intensive reflektorisch bedingte Parasympathikuswirkung kann den Herzschlag sogar vollständig unterdrücken (Beispiel Bolustod). Umgekehrt beschleunigt der Sympathikus (adrenerg) die Entladung in Phase 4 und erzeugt erhöhte Herzfrequenz (>100/min: Tachykardie ).

B
eim Aufstehen (orthostatische Reaktion) kommt es bereits zu einer merklichen  Zunahme der Herzfrequenz (um 10-20/min), bei intensiverem Stress - etwa im Rahmen von sportlicher Betätigung - kann der Puls bis zur Belastungsgrenze zunehmen (Maximalpuls-Faustregel: 200 minus Alter in Jahren). Neugeborene haben einen wesentlich höheren Ruhepuls (etwa 140 bpm, Kinder mit 10 Jahren noch ~90 bpm).
 

>Abbildung: Aktionspotential in Arbeitsmyokard und Schrittmacherzellen
Nach einer Vorlage bei Mohrman DE / Heller LJ, Cardiovascular Physiology, 8th ed. McGraw Hill 2014

Fast-response- Zellen zeigen einen überschießenden Natriumeinstrom zu Beginn des Aktionspotentials, ähnlich wie Nervenzellen (links). Der Kalziumeinstrom sowie der anhaltend niedrige Kaliumausstrom halten das Membranpotential für einige Zehntelsekunden in der Nähe der Nulllinie (Plateaubildung). Dadurch ist die Zelle während dieser Zeit unerregbar (refraktär). Arbeitsmyokard-Fasern zeigen eine solche Aktionspotentialcharakteristik. Das Ruhepotential in Phase 4 ist ziemlich stabil, normalerweise erfolgt in solchen Zellen keine Spontanentladung.
 
Slow-response- Zellen haben ein instabiles Membranpotential in Phase 4; die Kaliumpermeabilität sinkt, diejenige für Natrium steigt, bis das Membranpotential von selbst zusammenbricht. Die Entladung (Phase 0) ist im Wesentlichen durch den Kalziumeinstrom getragen. Solche Permeabilitäts- bzw. Potentialverläufe sind für Schrittmacherzellen typisch.
 
In der vulnerablen ("supranormalen") Phase ist der Myozyt besonders gut erregbar, die Kaliumpermeabilität noch erhöht


Schon 1839 beschrieb der böhmische Physiologe Jan E. Purkinje Muskelfasern, die der Erregungsleitung im Ventrikel dienen und nach ihm benannt wurden. 1893 fand der Internist Wilhelm His das nach ihm benannte Muskelbündel, das eine Erregungsübertragung von den Vorhöfen auf die Ventrikel ermöglicht. 1907 beschrieben Arthur Keith und Martin Flack erstmals den Sinusknoten. Keith nannte die von ihm gefundene Gruppe spezialisierter Muskelfasern den sino-atrialen Knoten.

 
Vergleicht man die Charakteristika von "Arbeitsmyokardzellen" mit denen von "Schrittmacherzellen", dann zeigen sich Unterschiede sowohl im Mechanismus der Depolarisation, als auch in der Dauer der Aktionspotentiale (>Abbildung):

  
   "Fast-response" -Myozyten werden durch blitzartigen Natriumeinstrom depolarisiert, das erhöht die Depolarisationsgeschwindigkeit und ermöglicht rasches Weiterleiten von Erregungswellen.

Außerdem ist ihre Depolarisation verländert (Phase 2, "Plateauphase"), was ihre Refrakterität verlängert und das Myokard vor Unordnung beim Ablauf der Kontraktion schützt ("Untetanisierbarkeit").


      "Slow-response" -Myozyten hingegen werden durch Kalziumeinstrom und sinkenden Kaliumausstrom depolarisiert, und ihr Aktionspotential sieht insgesamt runder aus; diese Zellen sind auf Spontandepolarisation ausgerichtet (Schrittmachereigenschaft).
 
Wie wird die Erregung über das Myokard verteilt?
 
Erregungsbildungs- und -leitungssystem: Im Myokard breiten sich Aktionspotentiale über gap junctions (disci intercalares) aus, an denen der elektrische Membranwiderstand auf ein Tausendstel des üblichen Wertes reduziert ist. Auf diese Weise kann ein überschwelliger Reizstrom von Zelle zu Zelle fließen und sich die Erregung wie ein Lauffeuer über das Herzmuskelgewebe ausbreiten.
 
   Im "klassischen" Physiologiepraktikum war die Durchführung der Stannius'schen Ligaturen obligat. Man legte am schlagenden Froschherzen zwischen Vorhof und Kammer mit einem Zwirnfaden eine Schlinge; zog man die Schlinge komplett zu, hörte der Ventrikel zu schlagen auf, da durch die Kompression des Myokards die Überleitung der Aktionspotentiale vom Sinusknoten auf das Reizleitungssystem der Kammern unterbrochen war.
 
Nachdem der Sinusknoten einen Impuls generiert hat, laufen Aktionspotentiale über das umliegende Herzmuskelgewebe wie eine Welle von Muskelfaser zu Muskelfaser. Folgende Zellen sind auf rasche Erregungsleitung ("Reizleitung") spezialisiert:

  
  AV- (Aschoff-Tawara)-Knoten : Aktionspotentiale laufen (vom Sinusknoten ausgehend) über die Vorhofmuskluatur und treffen am atrio-ventrikuläre Knoten ein. Dieser hat eine Eigenfrequenz von 40-50/min; die spontane Depolarisation (Phase 4, s. oben) erfolgt langsamer als in den Zellen des Sinusknotens. Normalerweise hat der AV-Knoten daher keine Schrittmacherfunktion, er wird jedesmal vom Sinusknoten "überholt", bevor er selbst eine Erregung generiert hat.

Indem der AV-Knoten die Erregung langsam (~0,05-0,1 m/s) weiterleitet, verhindert er, dass sich die Kammern zu früh (vor Abschluss der Vorhofkontraktion) zusammenziehen. Die Überleitungszeit ergibt sich im Wesentlichen durch das Tempo des Aufstrichs der Aktionspotentiale (Phase 0) der einzelnen AV-Muskelfasern. Der Grund für die langsame Leitung ist ein komplexes Verschaltungsmuster
im AV-Knoten und die Tatsache, dass seine Zellen sehr klein sind (2-3 µm).
 

<Abbildung: Spontanentladungsfrequenzen im Reizleitungssystem

Die Zellpopulation mit der höchsten Entladungsfrequenz übernimmt die Schrittmacherfunktion


     His'sches Bündel : Es stellt die einzige elektrophysiologische Verbindung zwischen Vorhöfen und Kammern dar (die bindegewebigen Klappenansatzringe - das "Herzskelett" - ist nicht erregbar) und leitet die Erregungswelle zügig auf das Ventrikelmyokard weiter. Die Aktionspotentiale sind denen in der Arbeitsmuskulatur sehr ähnlich, sie weisen deutliche Plateaubildung mit einer Länge von 0,2-0,4 Sekunden auf.
   
     Tawara- bzw. Kammerschenkel: Der rechte und (zweibündelige: vorderer und hinterer Faszikel) linke Kammerschenkel leiten die Aktionspotentiale in der Kammerscheidewand rasch (bis 4 m/s) zur Herzspitze und von dort über die Seitenwände der Ventrikel. Bei Ausfall eines Kammerschenkels umgeht die Erregungswelle diesen "Schenkelblock" über normales Arbeitsmyokard, was länger dauert und im EKG als Deformation des QRS-Komplexes sichtbar wird. Die Eigenfrequenz des Kammer-Erregungsleitungssystems beträgt ≤45/Minute.
 
     Purkinje-Fasern schließen an die Kammerschenkel an und dienen der weiteren raschen, zeitlich-räumlich koordinierten Erregungsausbreitung in den Ventrikeln. Sie sind die Zellen mit dem größten Durchmesser (40-80 µm) im Herzmuskel, daher haben sie die höchste (3-5 m/s) Leitungsgeschwindigkeit (geringer axialer elektrischer Widerstand). Sie versorgen die subendokardialen Schichten mit Aktionspotentialen, die sich dann mit ≤1 m/s quer durch das Myokard zu subepikardialen Schichten ausbreiten. Der ganze Vorgang dauert weniger als eine Zehntelsekunde.
  
Purkinje-Fasern haben von allen Zellen des Reizleitungssystems das am längsten dauernde Aktionspotential, d.h. sie sind relativ lange refraktär (Schutz vor Wiedererregung).
    
Alle Anteile des Reizleitungssystems können Aktionspotentiale bilden, kommen normalerweise aber nicht dazu, weil sie eine niedrigere Entladungsfrequenz als der Sinusknoten haben. Bei einem Ausfall des Sinusknotens oder Unterbrechung der Erregungsleitung, z.B. im His´schen Bündel (Herzblock, sino-atrialer Block) schlagen die Kammern in ihrem langsameren Eigenrhythmus.
 
Die Erregung breitet sich wie ein Lauffeuer über den gesamten Herzmuskel aus
 

>Abbildung: Erregungsübertragung von Herzmuskelzelle zu Herzmuskelzelle
Kombiniert nach Vorlagen in quizlet.com, courstudy.com

Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten) sind 50-100 µm lang und 10-20 µm dick; einige sind verzweigt. Mechanisch sind sie über Desmosomen miteinander verknüpft; die Übertragung der Erregung erfolgt mittels gap junctions (Nexus), an denen sich die Membranen benachbarter Zellen auf 2-4 nm annähern und Erregungsströme durch Konnexone von einer auf die nächste Zelle übergreifen

Die Konzentration freier Kalziumionen ist in der extrazellulären Flüssigkeit mit ~1 mM um 4 Zehnerpotenzen höher als im ruhenden Kardiomyozyt. Der niedrige Betrag des zytoplasmatischen freien [Ca++] (~10-4 mM) wird durch Ca++-ATPasen (PMCA, plasma membrane calcium ATPases, Kalzium-Exportpumpen) sowie Na/Ca-Austauscher (NCX) aufrechterhalten - erstere nutzen ATP, letztere den Natriumgradienten (sekundär-aktiv) als Energiequelle für den Ca++-Export.

Die Auslösung der Herzaktion erfolgt im Moykard selbst: Das Reizleitungssystem hat kein stabiles Ruhepotential, sondern generiert und verteilt Erregungswellen über Milliarden Herzmuskelzellen in einem räumlich-zeitlich optimierten Ablaufplan.

Dieser elektrophysiologische Ablauf (der das EKG entstehen läßt) löst dann die Kontraktion des Herzmuskels (die Systole) aus. Vorgegeben wird der "Takt" der Erregungsbildung
im rechten Vorhof vom Sinusknoten, dieser wird als (physiologischer) Schrittmacher (pacemaker) des Herzens bezeichnet.

Der "Sprung" der Aktionspotentiale von Muskelfaser zu Muskelfaser erfolgt im Herzen - wie in glatter Muskulatur - mittels gap junctions, deren - aus jeweils 12 Konnexinmolekülen (gap junction proteins) aufgebauten - Konnexone eine direkte Verbindung der benachbarten Interzellulärraume herstellt (Abbildungen). Gap junctions sind Stellen stark reduzierten elektrischen Widerstandes, Stromlinien suchen ihren Weg von Herzmuskelzelle zu Herzmuskelzelle. In diesem Bereich der Zellmembran konzentrieren sich auch spannungsgesteuerte Natriumkanäle, welche das Aktionspotential von Zelle zu Zelle rasch weiterleiten (Phase 0, s. oben).

Gap junctions und Desmosomen liegen in streifenförmigen Kontaktzonen (Glanzstreifen, intercalated discs), die sowohl der mechanischen (Desmosomen) als auch der elektrischen
Verbindung (Konnexone) dienen. An Desmosomen setzen intrazellulär Desminfilamente zur mechanischen Verankerung an; sie enthalten das transmembranale Glykoprotein Cadherin, das 25 nm weite Spalten zwischen benachbarten Herzmuskelzellen überbrückt.

Unterdurchblutung (myokardiale Ischämie) erhöht [H
+] und [Ca++] in der Herzmuskelzelle; das führt zum Verschluss eines Teils der Konnexone und erleichtert das Auftreten von Herzrhythmusstörungen (Arrhythmien).

Da alle Herzmuskelzellen miteinander via gap junctions elektrisch verbunden sind, pflanzt sich normalerweise jede Erregungswelle über das gesamte Myokard fort (das Herz ist ein funktionelles Synzytium, seine Kontraktionen sind automatisch Maxima, d.h. alle Muskelfasern nehmen daran teil). Der bindegewebige Ansatzapparat für die Herzklappen - der
anulus fibrosus (cardiac skeleton) - leitet keine Erregung, das His-sche Bündel ist die (normalerweise einzige) Überbrückung zwischen Vorhof- und Kammermyokard.

Ein Herzblock liegt vor, wenn die Überleitung an dieser Stelle unterbrochen ist.

 

<Abbildung: Konnexin, Konnexon, interzellulärer Kanal, gap junction
Nach Goodenough DA, Paul DL. Beyond the gap: functions of unpaired connexon channels. Nature Rev Molec Cell Biol 2003; 4: 285-95

Grundbaustein einer gap junction ist das Konnexin. 6 Konnexinmoleküle vereinigen sich in der Membran einer Zelle zu einem Konnexon, dieses lässt einen rührenförmigen Innenraum erkennen. Legen sich zwei Konnexone benachbarter Zellmembranen aneinander, bildet sich ein interzellulärer Kanal, durch den Stoffe (bis ~2 kD) zwischen den Zellen ausgetauscht werden und elektrische Ströme fließen können.
 
Der extrazelluläre Spaltraum (gap) zwischen den Zellmembranen ist 2-4 nm (0,002-0,004 µm) weit. Ein Areal mit zahlreichen Konnexon-Kanälen heißt gap junction


Je dichter Herzmuskelzellen mit gap junctions ausgestattet sind, desto rascher breitet sich in einer solchen Myokardzone die Erregung aus.

Im AV-Knoten breitet sich die Erregungswelle besonders langsam aus (Filterfunktion).

   
Der transmembranale Reizstrom führt in Bruchteilen von Millisekunden zu einem überschwelligen Effekt an der nächsten Zelle, und so setzt sich die Erregung wie ein Lauffeuer von Zelle zu Zelle fort. Im EKG entstehen dadurch als Summeneffekte

      die P-Welle als Zeichen der Erregungsausbreitung über das Vorhofmyokard und
 
      der QRS-Komplex als Resultat der Erregungsausbreitung über das Ventrikelmyokard.

Die Funktionsweise von "Arbeitsmyokardzellen" und "Schrittmacherzellen" (Erregungsleitungszellen) unterscheidet sich in mehreren Aspekten. Entscheidend ist dabei die Exprimierung von Ionenkanälen in der Zellmembran, die den Muskelfasern ein entsprechend charakteristisches elektrophysiologisches Verhalten verleiht.

Jeder Ionenkanal hat seine eigene Aktivierungs- und Inaktivierungscharakteristik: Beispielsweise schließen schnelle Natriumkanäle nach wenigen Millisekunden des Offenseins, auch wenn die Membran depolarisiert bleibt; langsame ("L" für long) Kalziumkanäle hingegen erst nach ~200 ms.
 

>Abbildung: Erregungsfortpflanzung von Herzmuskelzelle zu Herzmuskelzelle
Nach einer Vorlage bei Mohrman DE / Heller LJ, Cardiovascular Physiology, 8th ed. McGraw Hill 2014

Stromlinien konventionell von Orten positiver zu Orten negativer Ladung gezeichnet. Der transmembranale Widerstand ist an gap junctions (Nexus) stark reduziert, der Strom wandert durch sie hindurch


Die rasche Weiterleitung der Aktionspotentiale über gap junctions im Herzmuskelgewebe gewährleistet eine koordinierte Abfolge der Erregungswelle und damit eine weitgehend synchrone Aktivierung des Myokards. Das ist eine Grundvoraussetzung für die Tätigkeit des Herzmuskels als mechnische Pumpe: Das Herz kann als funktionelles Synzytium gesehen werden, weil alle Myokardzellen elektrisch leitend miteinander verbunden sind - Erregung einer (beliebigen) Stelle des Herzmuskels führt zu dessen vollständiger Erregung.
 
  
<Abbildung: Struktur des Herzmuskelgewebes
Nach einer Vorlage bei Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

Desmosomen dienen der mechanischen (Kraftübertragung), gap junctions der elektrischen Verknüpfung (Übergreifen der Erregung im Herzmuskel - funktionelles Synzytium). Gap junctions und Desmosomen sind in streifenförmige Zonen zusammengefasst, die als Glanzstreifen bezeichnet werden


Der Ablauf der Erregung über das Herz ist durch die Morphologie sowie die Ausstattung der einzelnen Muskelzellen mit Ionenkanälen vorgegeben:

     Der größte Teil der Muskelmasse besteht aus Arbeitsmyokard, das ein stabiles Ruhepotential von -80 mV hat (es verfügt über inward-rectifier-Kaliumkanäle, die das Ruhepotential stabilisieren (K+-Ausstrom); HCN-Kanäle fehlen).

     Umgekehrt verfügen Zellen des Erregungsleitungssystems über HCN-Kanäle, die spontane Depolarisation (Na+- und Ca++-Einstrom) ermöglichen. Die Ionenkanalbesetzung ist unterschiedlich, sodass diese Zellen sich in ihrem Verhalten unterscheiden:

Die Zellen des Sinusknotens haben die intensivste Spontanentladung und erreichen daher am raschesten ihr Schwellenpotential, von dem aus ein Aktionspotential auftritt. Das macht den Sinusknoten zum "Schrittmacher" des gesamten Herzens: Nach Ablauf eines Herzschlags gibt er den Zeitpunkt der nächsten Erregungswelle vor. Der Sinusknoten liegt im rechetn Vorhof, der dadurch zum Sitz des kardialen "Uhrwerks" wird.

Die nächste spezielle Station ist der Aschoff-Tawara- (Atrioventrikular-, AV-) Knoten, der die aus dem Vorhof kommende Erregung besonders langsam weiterleitet - und zwar auf das His'sche Bündel, das normalerweise die einzige leitende Struktur zwischen Vorhof- und Kammermyokard ist. Diese Positionierung macht das AV-Knoten - His-Bündel - System zum "Pförtner" jeder Exzitation vom Vorhof- in den Ventrikelbereich. Der AV-Knoten leitet sehr langsam, und die nachfolgende Erregungsleitungsbahn ist sehr lange refraktär (>Abbildung).

Diese Anordnung hat eine wichtige Schutzfunktion: Auf diese Weise wird bei vorzeitigen Erregungsphänomenen im Bereich der Atrien (z.B. bei Vorhofflimmern) verhindert, dass die Herzkammern gefährliche Tachykardien bzw. Kammerflimmern entwickeln.
 

>Abbildung: Erregungsausbreitung im Herzen
Nach
Nerbonne JM, Kass RS. Molecular physiology of cardiac repolarization. Physiol Rev 2005; 85:1205-53
Sinusknoten und AV-Knoten zeigen auffallend runde Aktionspotentialverläufe, bedingt durch relativ langsame Ca++-Ströme; Plateauphasen sind nicht zu erkennen.
 
Alle anderen Aktionspotentiale zeigen rasche Depolarisierung (Na+-Einstrom) und ausgeprägte Refrakterität (Plateaus) von unterschiedlicher Form und Dauer.
 
Die Ankunft der Erregung an den Purkinje-Fasern ist durch die langsame Leitung im AV-Knoten deutlich verzögert.

Subendokardiale Zellen werden früher,
und bleiben länger, erregt als subepikardiale (lange Plateauphase: gestrichelte Linien)


Ist die Erregung einmal in den Kammerbereich vorgedrungen, läuft sie über das Reizleitungssystem der Ventrikel (His-Bündel, Kammerschenkel, Purkinje-Fasern) und das Arbeitsmyokard als charakteristische, funktionsoptimierte räumlich-zeitliche Abfolge über Septum und Ventrikelwände.

Die Erregungswelle ist zuerst zur Herzspitze (Apex) hin gerichtet und läuft dann nach links und rechts oben, die subendokardialen Schichten zuerst und die subepikardialen zuletzt erfassend(>Abbildung). Die besonders ausgeprägte Plateauphase der subendokardialen Zellen macht sie lange refraktär und schützt sie vor früher Wiedererregung.

Dieses komplexe Muster erzeugt im Körper elektrische Felder, deren räumlich-zeitliche Auswirkung von der Körperoberfläche abgegriffen werden kann und bei entsprechender Elektrodenanordnung in definierten Ableiteschemata Elektrokardiogramme erzeugt ( s. dort).
 
Das Herz schlägt autonom und unterliegt neurohumoraler Steuerung

Das Herz steht unter dem Einfluss unterschiedlicher Faktoren: Hormonell (z.B. Adrenalin), physikalisch (z.B. Temperatur), und vor allem steuernder Einflüsse des autonomen Nervensystems:

  Impulse aus dem Sympathikus beschleunigen und kräftigen (kardioakzeleratorisches Zentrum, >Abbildung)
 
  solche aus dem Parasympathikus bremsen die Herztätigkeit (kardioinhibitorisches Zentrum in der medulla oblongata).
 
Ein frisch transplantiertes denerviertes Herz schlägt mit der Spontanfrequenz des Sinusknotens: 90-100  mal pro Minute. Normalerweise beträgt die Ruhefrequenz einer erwachsenen Person nur ~60/min; dies wegen der in Ruhe überwiegenden Vaguswirkung. Bei abnehmender Vaguswirkung und/oder zunehmendem Sympathikustonus steigt die Herzfrequenz, maximal bis zu ~200/min (fight or flight).

Der Vagus wirkt über M2-Rezeptoren auf den Sinusknoten. Nach Aktivierung des Gi-Proteins spaltet sich dieses in Gα1 und Gβγ, und beide Untereinheiten diffundieren an benachbarte Zielproteine in der Membran:



  Die Gα1-Komponente hemmt die Adenylatzyklase, dadurch sinkt der cAMP-Spiegel, was die Öffnungswahrscheinlichkeit von HCN-Kanälen reduziert. Diese lassen den depolarisierenden Schrittmacherstrom zu, also wird die Depolarisation der Sinusknotenzelle gebremst, die Herzfrequenz nimmt ab.

  Die Gβγ-Komponente aktiviert Kaliumkanäle, was die Zelle stärker aufladet und ebenfalls die Depolarisationszeit erhöht.
 
 
<Abbildung: Augtonom-nervöse Balance
Nach einer Vorlage in Praktische Physiologie

Der unbeeinflusste Sinusknoten einer erwachsenen Person entlädt sich mit einer "Eigenfrequenz" von ca. 100/min.
 
Überwiegt der Einfluss des Parasympathikus bzw. negativ chronotrop wirkender Mediatoren, liegt die Schlagfreqiuenz niedriger (z.B. Ruhefrequenz von ~60/min), überwiegt derjenige des Sympathikus bzw. positiv chronotrop wirkender Mediatoren, liegt sie darüber (z.B. bei körperlicher Belastung)


Die Herzfrequenz beträgt im Ruhezustand rund 60 (im Liegen) bis 80 (im Stehen) Schläge pro Minute (Normokardie).

  
   Liegt die Herzfrequenz über 100 / min, spricht man von Tachykardie. Bei Neugeborenen ist "Tachykardie" im Ruhezustand nach dieser Definition physiologisch ( s. dort). Die Eigenfrequenz des Sinusknotens liegt bei etwa 105 / min, im Ruhezustand wird er durch parasympathischen Einfluss auf 60-80 / min reduziert.

      Bradykardie ist eine Frequenz unter 60 / min; eine bradykarde Ruhefrequenz findet sich bei ausgeprägtem Trainingszustand, Hochtrainierte können eine Ruhefrequenz bis unter 40 zeigen (dies kann mit einem Herzblock verwechselt werden, dei dem der Sinusknoten nicht wirksam wird: der AV-Knoten hat eine ähnlich niedrige Eigenfrequenz wie das gesunde Herz einer hochtrainierten Person im Ruhezustand). Auch im Schlaf (non-REM) sinkt die Herzfrequenz auf niedrigere Werte ab.
 

>Abbildung: Steuerung der Herzaktivität
Nach einer Vorlage bei Pearson Education 2004

Der Sinusknoten erzeugt - auf sich alleine gestellt - Spontanentladungen mit einer Frequenz von 90-100/min. Einfluss des Parasympathikus (cholinerg) reduziert diese Frequenz (kardioinhibitorisches Zentrum), im Ruhezustand - liegend - auf ~60/min ("Ruhefrequenz").
 
Schon das Aufrichten des Körpers senkt den Vaguseinfluss wegen sinkenden arteriellen Drucks im Karotissinus, die Ruhefrequenz steigt im Stehen auf ca. 75/min (posturale Reaktion).
 
Physische / psychische Belastung steigert den Sympathikuseinfluss (adrenerg), die Herzfrequenz nimmt über Wirkung auf das kardioakzeleratorische Zentrum zu


Parasympathischer Einfluss (N. vagus)
 
      Der Sinusknoten ist reich an muskarinergen Rezeptoren. Diese beeinflussen Kalium-(IKACh), Kalzium-(ICa) und If-Ströme, das maximale diastolische Potential wird verstärkt (negativiert) und sie Spontandepolarisation verflacht - beides senkt die Herzfrequenz (negativ chronotroper Effekt).
 
      Am AV-Knoten wird die Überleitung verlangsamt (verzögerte Aufstrichphase "0" - negativ dromotroper Effekt).
 
      Beschleunigte Repolarisation (IKACh) verringert Kalziumeinstrom und Kontraktionskraft des Vorhofs (negativ inotroper Effekt).

Der Parasympathikus hat (entgegen der früheren Lehrmeinung) auch direkten Einfluss auf die Kontraktilität des menschlichen Herzens, die er verringert (negative Inotropie).
 
Sympathikuseinfluss
 
 
      Am Sinusknoten erfolgt beschleunigte Depolarisation (positiv chronotroper Effekt durch Aktivierung des if-Kanals),

      am AV-Knoten zeigt sich ein rascherer Aufstrich des Aktionspotentials (positiv dromotroper Effekt durch verbesserte Überleitung an gap junctions),

      am Arbeitsmykoard verstärkt sich der Ca++-Einstrom (positiv inotroper Effekt durch erhöhten iCa++-Strom aus dem sarkoplasmatischen Retikulum),

      die Aktionspotentiale verkürzen ihre Dauer durch Aktivierung des verzögerten iK-Stroms,

      die Myozyten relaxieren rascher (positiv lusitroper Effekt durch erhöhte Ca++-Aufnahme in das sarkoplasmatische Retikulum).

"  "Betablocker" (genauer: ß1-Rezeptoren-Antagonisten) dämpfen die Noradrenalinwirkung auf das Herz und wirken herzschonend, vermindern aber auch unter Umständen die Anpassungsfähigkeit des Kreislaufs bei Belastung. Je nach Wirkungsspektrum auf adrenerge (nicht nur ausschließlich ß1-) Rezeptoren üben sie unterschiedliche Effekte auf Myokarddurchblutung, Erregungsbildung etc. aus.
 
Neben autonom-nervösen unterliegt das Herz auch endokrinen (z.B. Adrenalin) und metabolischen Einflüssen.

 

 
    Fieber, Hyperthyreose, Entzündungen von Herzbeutel bzw. Herzmuskel oder Lungenembolie sind Zustände, welche die Herzfrequenz steigern können (Sinustachykardie).

    Hypothermie, Hypothyreose, auch intensives körperliches Training (starke Aktivität des parasympathischen Systems im Ruhezustand), können Sinusbradykardie zur Folge haben.

    Ein plötzlicher Ausfall des Sinusknotens wird nicht immer durch sofortiges Einspringen niedrigerer Schrittmacher kompensiert. Vergehen mehrere Sekunden, sinkt der Blutdruck so stark ab, Bewusstlosigkeit tritt ein (Adams-Stokes-Anfall). Weiters reicht der auftretende Eigenrhythmus manchmal für eine ausreichende Durchblutung (vor allem des Gehirns) nicht aus. Es kann gelingen, den Ohnmachtsanfall durch Flachlagerung (Wegfall der Orthostasebelastung!) zu beenden.

    Vorhofflattern (Vorhof-Schlagfrequenz 230-350/min) kann vorübegehend (paroxysmal) auch bei herzgesunden Personen auftreten (z.B. Stress, exzessiver Kaffeegenuss), oder - organisch - bei koronarer Herzkrankheit, Kardiomyopathie, Mitralklappenstenose u.a. Da der AV-Überleitungsfilter funktioniert, werden nicht alle Erregungswellen auf den Kammerbereich übertragen (z.B. 2:1, 3:1), und die Hämodynamik ist im Allgemeinen so gut wie nicht beeinträchtigt.

    Unorganisierte Depolarisationsabläufe im Vorhof, die keine effektive Vorhofkontraktion ergeben, erzeugen Vorhofflimmern (Frequenz >300/min). Sie entstehen durch ektope Erregungsbildung bzw. multiple kreisende Erregungen (multiples re-entry). Im EKG ist keine P-Welle nachweisbar, AV-Überleitung und RR-Intervalle sind völlig unregelmäßig (absolute Arrhythmie).

    Kammerflattern (250-350/min) bzw. -flimmern (>350/min) ist ein lebensbedrohlicher Zustand. Es tritt auf, wenn die Erregung im Ventrikelgebiet unkoordiniert zu kreisen beginnt (re-entry) und die Pumpfunktion des Herzens zum Erliegen kommt. Die Folge ist ein funktioneller Kreislaufstillstand (Bewusstlosigkeit innerhalb von 10-15 Sekunden). Im EKG ist keine klare Trennung zwischen Kammeranfangsschwankung (QRS) und Kammerendteil mehr möglich (Flattern) oder es sind überhaupt keine koordinierten Muster erkennbar (Flimmern). Sofortige Defibrillation / Reanimation ist durchzuführen.
 

<Abbildung: Herzschrittmacher. Steuereinheit subkutan, Reizelektroden in Vorhof und Spitze des rechten Ventrikels
Nach einer Vorlage in caifl.com / cardiac devices

Die Elektroden diesen sowohl dem Monitoring (EKG) als auch zur Stimulation, wobei unterschiedliche EKG-Signale als Triggerkriterium genutzt werden können

  Künstliche Herzschrittmacher erzeugen elektrische Reize in der Kammermuskulatur (<Abbildung). Sie werden über einen Venenkatheter in die Herzräume (rechter Vorhof / Ventrikel) vorgeschoben und hier befestigt. Die Steuereinheit wird - nach lokaler Betäubung - subkutan implantiert. Die Impulse haben eine Spannung von ~3 V und dauern ~0,5 ms, Lithium-Jod-Batterien ermöglichen eine Betriebszeit von ~10 Jahren.

  Der Kalziumeinstrom ist Angriffspunkt sowohl physiologischer (autonome Nervenfasern, Hormone) als auch pharmakologischer Beeinflussung der Herztätigkeit.
 
  Azidose und Kalziumantagonisten hemmen den Kalzium-Einstrom, Katecholamine verstärken ihn.

Kalziumantagonisten verkürzen die Dauer des Aktionspotentials und haben einen blutdrucksenkenden Effekt - sowohl durch herabgesetzte Schlagkraft am Herzen (negative Inotropie) als auch durch vaskuläre Dilatation (Herabsetzung des peripheren Widerstands).

  Erhöhung der H+- und Ca++-Konzentration in Herzmuskelzellen tritt bei Sauerstoffmangel (Mangeldurchblutung: Ischämie) auf und führt zu einer Schließung von Konnexonen an gap junctions. Das behindert den Stromfluss zwischen den Zellen (erhöhter Innenwiderstand) und verlangsamt die Erregungsausbreitung. Dies wiederum erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens von kreisenden Erregungen (Re-entry) in Vorhöfen / Ventrikeln, was Flattern oder Flimmern zur Folge haben kann (Kammerflimmern ist lebensbedrohlich - Defibrillation erforderlich).
    
Je langsamer sich die Erregung ausbreitet und je kürzer die Refraktärzeit (Plateauphase) dauert, umso größer wird die Wahrscheinlichkeit eines Reentry.
  
Rhythmusstörungen werden mit Antiarrhythmika behandelt (Klasse I - Natriumkanalblocker, Klasse II - Betablocker, Klasse III - Kaliumkanalblocker, Klasse IV - Kalziumkanalblocker).

  "Channelopathien": Kommt es durch Genmutation zu Veränderung der Struktur oder Zahl von Ionenkanälen (z.B. Natrium-, Kaliumkanälen) oder ist deren Expression in der Membran von Kardiomyozyten herunterreguliert (z.B. bei Herzinsuffizienz), können Extrasystolen, Herzblock oder Arrhythmien auftreten, die u.U. einen plötzlichen Herztod bedingen (z.B. Brugada-Syndrom: Ionenkanalstörung, die meist asymptomatisch bleibt, aber zu prlötzlichem Herztod führen kann). Kaliumkanal-Defekte bewirken gestörte Repolarisation, Verlängerung des Aktionspotentials (Long-QT-Syndrom) und erhöhtes Risiko für Kammerflattern oder -flimmern.

  Die extrazelluläre Kaliumkonzentration beeinflusst die Herzfunktion:

  Auf erniedrigten Kaliumspiegel (<3,5 mM: Kaliumverlust durch Diuretikatherapie oder Diarrhoe, schwere Verbrennungen) sprechen ventrikuläre erregungsbildende Zellen an, es kann zu Herzrhythmusstörungen kommen

  Hyperkaliämie reduziert den Betrag von Ruhe- und Aktionspotential (geringer transmembranaler Kaliumgradient), stört die Erregungsleitung und kann zu Arrhythmien führen. Ist der Kaliumspiegel stark erhöht (>7,5 mM - Niereninsuffizienz, Crush-Syndrom, Hämolyse), nehmen Sinusknotenfunktion, Leitungsgeschwindigkeit und Aktionspotentialdauer sowie Kalziumeintritt in die Zelle ab, ventrikuläre Tachykardie kann auftreten, das Herz in Diastole stillstehen (Asystolie)
 
Kardiopleg(isch)e Lösungen mit hoher Kaliumkonzentration (>12 mM) werden in der Herzchirurgie eingesetzt, um das Myokard vorübergehend unerregbar zu machen und den Herzschlag anzuhalten (Spenderherz). Kardioplegische Lösungen werden über die Koronararterien zugeführt, um die Herzmuskelzellen effizient zu erreichen.
 

 
      Ungereizte Arbeitsmyokardzellen haben ein konstantes Ruhepotential. Dieses entsteht durch Kaliumausstrom via "einwärts- gleichrichtende" Kaliumkanäle (Kir) und hält die Natriumkanäle geschlossen. Der Betrag des Kaliumaustritts ist gering, da das Ruhepotential (-80 bis -90 mV) nahe am Gleichgewichtspotential für Kalium liegt (-94 mV). Bei Depolarisierung verliert die Zelle weniger Kalium. Im Zytosol vorhandenes Ca++ wird gegen 3Na+ ausgetauscht (~75% des Ca++-Auswärtstransportes). Ähnlich nutzen Na/H-Austauscher des Natriumgradienten zur Entfernung von H-Ionen aus der Herzmuskelzelle (Na+ wird über die basolaterale Na/K-ATPase aus der Zelle gebracht). Restliches Ca++ wird durch eine Ca-ATPase in das sarkoplasmatische Retikulum gepumpt
 
      Ein komplexes Zusammenwirken verschiedener Ionenströme ergibt das charakteristische Aktionspotential einer Herzmuskelzelle. Je nach Ausstattung mit Kanalproteinen nimmt dieses unterschiedliche Form und Dauer an. Das Aktionspotential der Arbeitsmuskelzellen (<200 bis 350 ms) erfolgt durch raschen Natriumeinstrom via spannunsgesteuerte Natriumkanäle. Im Ruhezustand sind diese geschlossen; bei Überschreitung des Schwellenpotentials durch Erregung von Nachbarzellen öffnet der Kanal, Natrium strömt ein - für 1 ms, dann wird der Kanal inaktiviert, der Natriumeinstrom versiegt. Erst am Ende der Refraktärzeit (Plateauphase: depolarisierende Ca++- und repolarisierende K+-Ströme halten sich die Waage) stellt sich die "geschlossene" Konformation der Natriumkanäle wieder ein, die im Gegensatz zur "inaktivierten" durch Depolarisierung beendet werden kann. Im Sinusknoten erfolgt die (langsamere) Depolarisierung durch Ca++-Einstrom (L-Typ-Kalziumkanäle). Die Repolarisierung erfolgt durch Kaliumausstrom; erhöhter Sympathikustonus steigert diesen und verkürzt das Aktionspotential (Zeit für höhere Schlagfrequenzen). Etwa 10 ms nach Auftreten des Aktionspotentials beginnt die Kontraktion
 
      Sinusknotenzellen verfügen über spannungsabhängige Kaliumkanäle, ihr Membranpotential erreicht lediglich -50 bis -70 mV (Arbeitsmyokard -80 bis -90 mV) und ist instabil. Die Steilheit dieses Schrittmacherpotentials wird von Na- und Ca-Einstrom durch verschiedene Ionenkanäle beeinflusst. Ein Schrittmacherstrom (If) durch unspezifische Kationenkanäle (HCN-Kanäle) bewirkt spontane Depolarisierung. Sympathikuseinfluss steigert über cAMP die Öffnungswahrscheinlichkeit der HCN-Kanäle, der depolarisierende Kationeneinstrom nimmt zu. Bei Erreichen des Schwellenpotentials (-40 bis -55 mV) entsteht ein Ca++-betriebenes Aktionspotential. In der Repolarisierungsphase schließen die Ca++-Kanäle, spannungsgesteuerte K-Kanäle öffnen, die Zelle repolarisiert. Die intrinsische Frequenz des Sinusknotens beträgt ~100/min, sie wird durch parasympathischen Einfluss gesenkt (Ruhefrequenz)
 
      Erregungsbildung und Reizleitung im Herzen erfolgt über Sinusknoten (physiologischer Schrittmacher), AV-Knoten (langsame Leitung), His-Bündel (Verbindung Vorhof-Kammer), Kammerschenkel, Purkinje-Fasern (optimale Erregungsverteilung, lange Refrakterität). Aktionspotentiale breiten sich über über gap junctions (disci intercalares: Stellen stark reduzierten elektrischen Widerstandes mit hoher Dichte spannungsgesteuerter Natriumkanäle) auf das gesamte Myokard aus (funktionelles Synzytium). Das erzeugt elektrische Felder, deren räumlich-zeitliche Auswirkung von der Körperoberfläche abgegriffen werden kann: Im EKG bedeutet die P-Welle die Erregungsausbreitung über die Vorhöfe und der QRS-Komplex die Erregungsausbreitung über die Ventrikel
 
      Das Herz steht unter dem Einfluss hormoneller, neuraler und physikalischer Faktoren. Sympathischer Einfluss aus dem kardioakzeleratorischen Zentrum der medulla oblongata beschleunigt und kräftigt, parasympathischer bremst die Herztätigkeit (kardioinhibitorisches Zentrum). Die Herzfrequenz beträgt im Ruhezustand rund 60 (im Liegen) bis 80 (im Stehen) Schläge pro Minute (Normokardie). Herzfrequenz über 100/min heisst Tachykardie (z.B. Stress), Bradykardie ist eine Frequenz unter 60 (z.B. non-REM-Schlaf)
 

 

Eine Reise durch die Physiologie



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