Arrhythmie: ἄρρυϑμος = unrhythmisch (ῥυθμός = Rhythmus)| Die
Bezeichnung "funktionelles Synzytium" für den Herzmuskel bringt zum
Ausdruck, dass alle Myokardzellen mit ihren Nachbarn elektrisch (über gap junctions)
verschaltet sind. Entsteht (normalerweise im Sinusknoten, oder irgendwo
im Herzmuskel) eine
Erregung, dann pflanzt sie sich über das ganze Organ fort (soferne die
Nachbarzellen gerade erregbar sind). Zeichen dieses Vorgangs sind
Aktionspotentiale an den einzelnen Zellen, und ein EKG-Signal vom
Herzen insgesamt. Die Erregung löst eine Kontraktion aus (elektro-mechanische Kopplung). Aufbau und Eigenschaften des Muskelgewebes ergeben einen physiologischen Erregungsablauf, der die Pumpfunktion des Herzens optimiert. Spezielle Zellen dienen der Erregungsbildung und Reizleitung: Der Sinusknoten im Vorhof, der AV-Knoten und das His-sche Bündel an der Grenze zu den Ventrikeln, Kammerschenkel und Purkinje-Fasern in den Kammern. Ihnen kommen spezielle Aufgaben zu: Der Sinusknoten triggert die Herzschläge und gibt so die Herzfrequenz vor (er wird als kardialer Schrittmacher bezeichnet); 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 verteilt. Wegen unterschiedlicher Ausstattung mit Ionenkanälen differieren Kardiomyozyten z.T. in der Form ihrer Aktionspotentiale, typisch ist die Verzögerung der Repolarisierung (Plateauphase). Diese bedeutet eine Verlängerung der Refraktärzeit, während der die (noch erregten) Zellen weiterer Reizung nicht zugänglich sind - das schützt den Kontraktionsablauf (man sagt, das Myokard ist untetanisierbar). Erregbarkeit und Aktionspotentialform der Zellen werden durch eine Fülle verschiedener Ionenkanäle in deren Membran reguliert. Diese sind auch Ansatzpunkt zahlreicher herzwirksamer Pharmaka. Autonome (vegetative) Nervenfasern beeinflussen die Eigenschaften des Herzmuskelsystems: So bremst im Ruhezutand parasympathischer Einfluss die Spontanentladungsfrequenz der Sinusknotenzellen (diese würde etwa 100/min betragen) auf etwa 60/min; sympathische Aktivität steigert Herzfrequenz und Schlagkraft (positiv chronotrope und inotrope Wirkung). |
Arbeitsmyokardzelle Schrittmacherzelle Reizleitungssystem Einfluss des autonomen Nervensystems
die P-Welle als Zeichen der
Erregungsausbreitung über das Vorhofmyokard und 
der QRS-Komplex als Resultat der Erregungsausbreitung über das Ventrikelmyokard. 
Arbeitsmyokard
.
In der ersten Phase des Arbeitsmyokard-Aktionspotentials ("Aufstrich")
erfolgt (reizbedingt) rascher Natriumeinstrom (wie bei Nervenfasern)
und Depolarisation. Da das Natrium-Gleichgewichtspotential >+20 mV beträgt, kommt es zur Umpolung der Zelle. 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. Durch gleichzeitigen Einstrom von Ca++ durch L-Typ-Ca++-Kanäle bei anhaltendem Ausstrom von K+ erfolgt anschließend eine verzögerte Repolarisationsphase. Der Kalziumeinstrom unterstützt dabei ganz wesentlich die elektromechanische Koppelung. Gleichzeitig fördert ein Na+-Ca++-Austauscher - angetrieben durch den Natriumgradienten - Kalzium laufend wieder aus der Zelle (1 Ca++ gegen 3 Na+, die Pumpe ist elektrogen; der - depolarisierende - Auswärtstransport von Ca++ während der späten Phase des Aktionspotentials wird als "forward mode", der - repolarisierende - Einwärtstransport in Phase 1 als "reverse mode" bezeichnet).
Phase 1: Die Natriumkanäle schließen wieder, transienter Kalium-Ausstrom (Ito) wirkt (etwas) repolarisierend. Durch L-Typ Ca++-Kanäle (CaL) strömt (in deren "reverse mode") Ca++ ein, im Austausch gegen 3 Na+, was repolarisierend wirkt Schließlich kommt es zu
verstärktem Kaliumausstrom bei gleichzeitig versiegendem
Kalziumeinstrom; die Membran repolarisiert sich rasch zum Ruhepotential
("Abstrich") und die Zelle ist wieder erregbar. Der dafür hauptverantwortliche "verzögerte Gleichrichter" (delayed rectifier) IK wird in unterschiedlich rasch aktivierbare Komponenten untergliedert: transient-outward (Ito), ultra-rapid (IKur), rapid (IKr) und slow (Ks) delayed-rectifier currents (>Abbildung).
Hypokaliämie reduziert den IKr und stört so die Repolarisationsphase (EKG: ST-Senkung, T-Welle abgeflacht, evt. U-Welle) 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 |
Die Zellen des Reizleitungs- bzw. "Erregungssystems"
(Sinusknoten, AV-Knoten etc) haben vorwiegend kalziumbetriebene
Aktionspotentiale (>Abbildung). 
dem aktuellen Membranpotential den
intra / extrazellulären Ionenkonzentrationen der Anwesenheit zyklischer
Nukleotide an Schrittmacherpermeasen dem
Phosphorylierungsgrad von Kalziumkanälen
Nach einem vorausgegangenen Aktionspotential wird ein maximaler Membranpotentialwert von -60 mV erreicht. Dann kommt es zu spontaner Depolarisation infolge Aktivierung von "schrittmacheraktiven" HCN-Kanälen - zyklonukleotid-regulierten unspezifischen Kationenkanälen, die in dieser Phase wegen der
Lage des Natrium-Gleichgewichtspotentials (+20 mV) vor allem Natriumionen
durch die Membran eintreten lassen, was die Zelle depolarisiert. Ab
einem Membranpotentialwert von -40 mV werden spannungsgesteuerte Kalziumkanäle aktiviert.
Das bedingt im Schrittmachergewebe die (relativ langsame)
Depolarisation (>Abbildung). 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 Speicher mobilisiert, die Zelle depolarisiert rascher (positiv chronotrope Wirkung von Katecholaminen). Die
Repolarisation erfolgt durch
Aktivierung spannungsgesteuerter
Kaliumkanäle - wie im Arbeitsmyokard. 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 (s. oben).
Niedrigeres Ruhepotential (-60 mV im Sinusknoten, ≈ -80 mV im Arbeitsmyokard) Spontane Depolarisation in Phase 4 (Schrittmacherstom If) Kalzium- statt raschem Natriumeinstrom bei Aktionspotentialbeginn
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 ). 
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.
"Fast-response"-Myozyten werden durch blitzartigen Natriumeinstrom
depolarisiert, das erhöht die
Depolarisationsgeschwindigkeit und ermöglicht rasches Weiterleiten von
Erregungswellen.
"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). 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 ein beliebtes Experiment. Man legte am schlagenden Froschherzen zwischen Vorhof und Kammer mit
einem Zwirnfaden eine Schlinge; zog man die Schlinge 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.
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; normalerweise hat er daher keine
Schrittmacherfunktion, er wird jedesmal vom Sinusknoten "überholt", bevor er selbst eine Erregung generiert hat. 
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 auf
das Ventrikelmyokard weiter Tawara- bzw. Kammerschenkel: Der rechte und (zweibündelige) 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 25-45/Minute Purkinje-Fasern
schließen an die Kammerschenkel an und dienen der weiteren raschen,
zeitlich-räumlich koordinierten Erregungsausbreitung in den Ventrikeln Das Herz steht
unter dem Einfluss 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). 
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
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).
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).
Liegt die Herzfrequenz über 100 / min, spricht man von
Tachykardie. Bei Neugeborenen ist "Tachykardie" im Ruhezustand nach dieser Definition physiologisch (s. dort) 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
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.
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. 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).
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 (Diuretikatherapie, ..) sprechen
ventrikuläre erregungsbildende Zellen an, es kann zu
Herzrhythmusstörungen kommen
Ist der Kaliumspiegel stark erhöht (>7,5 mM - Niereninsuffizienz,
..), nehmen Sinusknotenfunktion, Leitungsgeschwindigkeit und
Aktionspotentialdauer ab
Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen:
Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie
sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und
Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.
