Ventrikuläre Kardiomyozyten sind sehr klein: Sie haben eine Länge von 1/10 mm und einen Durchmesser von ~20 µm, sind aber untereinander zu einem funktionellen Synzytium verbunden (gap junctions). Was sich während eines Herzschlags abspielt, wird zur Übersicht zuerst kurz zusammengefasst und dann im Detail geschildert:

Aktivierung: Aktionspotentiale breiten sich über das Muskelgewebe aus - in jeder einzelnen Zelle längs über die Zellmembran (Sarkolemm) und von hier quer in schlauchförmige Vertiefungen, die transversalen oder T-Tubuli. Dadurch gelangt die Erregung unmittelbar in die Tiefe der Zellen.

Während der Plateauphase des Aktionspotentials (für ~100 ms) gelangen Kalziumionen (Ca⁺⁺) über L-Typ-Kalziumkanäle von außen in die Zelle, dies triggert - über intrazelluläre Kalziumkanäle, die als Ryanodinrezeptoren bezeichnet werden - die Freisetzung von weiterem, im sarkoplasmatischen Retikulum gespeicherten Kalzium. Diese "Kalzium-Explosion" wird auch als kalziuminduzierte Kalziumfreisetzung bezeichnet, sie löst die Kontraktion aus. Ein kleiner Teil des Kalziums wird von Mitochondrien aufgenommen, die ATP nachsynthetisieren. (Mitochondrien nehmen ein Drittel des Zellvolumens in Anspruch.)

Entspannung: In der Relaxationsphase wird Ca⁺⁺ über die sarkoplasmatische Kalziumpumpe (SERCA: Sarcoplasmic / endoplasmic reticulum calcium ATPase) in das sarkoplasmatische Retikulum zurück, und über Na/Ca-Ausrauscher (NCX) der Außenmembran in den Extrazellulärraum verbracht. Die Kalziumkonzentration im Zytoplasma nimmt wieder ab, Ca⁺⁺ löst sich vom Troponin, die Kontraktion hört auf. (Das sarkoplasmatische Retikulum nimmt 5% des Zellvolumens in Anspruch.)
 

<Abbildung: Herzmuskelzelle
Modifiziert nach einer Vorlage in Tortora / Grabowski, Principles of Anatomy & Physiology, 9th ed.

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Sarkomere erstrecken sich jeweils zwischen zwei Z-Streifen und sind in Serie angeordnet. Sie sind das kontraktile Element des Muskels.
 
Transversale Tubuli sind mit dem Extrazellulärraum verbundene Einstülpungen des Sarkolemms. Sie tragen spannungsabhängige L-Typ-Ca⁺⁺-Kanäle (sogenannte Dihydropyridinrezeptoren), durch sie dringt Ca⁺⁺ einerseits in das Sarkoplasma ein, andererseits triggert es die Freigabe von Ca⁺⁺ aus dem sarkoplasmartischen Retikulum.
 
Die Kontaktstellen mit Ausläufern des endoplasmatischen Retikulums bezeichnet man als Diaden bzw. Triaden. Hier befinden sich  Ryanodinrezeptoren, Kalziumkanäle (calcium release channels), die Ca⁺⁺ aus dem sarkoplasmartischen Retikulum in das Sarkoplasma diffundieren lassen.
 
Das sarkoplasmatische Retikulum legt sich wie ein Netz über Myofibrillen. Es ist ein Zwischenspeicher für Ca⁺⁺-Ionen, die bei Erregung in das Zytosol freigesetzt werden, zwischen die Filamente diffundieren und die elektromechanische Koppelung (Kontraktion) vollenden. Anschließend werden sie wieder in das Retikulum zurückbefördert (Ca⁺⁺-ATPasen, SERCA: Sarcoplasmic / endoplasmic reticulum calcium ATPase), wodurch sich der Muskel wieder entspannen kann.
 
Mitochondrien nehmen 30-35% des Zellvolumens in Anspruch, sie versorgen den Myozyt mit ATP

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Das sarkoplasmatische Retikulum (SR) - ein Netzwerk 20-60 nm weiter intrazellulärer Tubuli, die Myofibrillen strumpfartig umgeben und zahlreiche Kontaktstellen mit transversalen Tubuli aufweisen - konstituiert den intrazellulären Ca⁺⁺-Speicher (gebunden an Calsequestrin) und nimmt ~5% des Zellvolumens in Anspruch.

Es bildet zwei miteinander verbundene Kompartimente:
 
      Ein sich über Myofibrillen erstreckendes Netzwerk (network SR), das via (durch Phospholamban gesteuerte) Ca⁺⁺-Pumpen (SERCA: Sarcoplasmic / endoplasmic reticulum calcium ATPase) aus dem Zytosol freigesetzte Ca⁺⁺-Ionen aufnimmt; und
 
      ein junktionales (junctional SR), das Ca⁺⁺ speichert, enge Kontaktstellen mit dem T-System (Diaden, Triaden) aufweist und - bei dessen Depolarisierung - Ca⁺⁺ in die Zelle abgibt. An der Kontaktstelle sitzt ein Riesenprotein (2,3 MDa), das als Ryanodinrezeptor, Ca⁺⁺ release channel oder calcium-induced calcium release (CICR) channel bezeichnet wird.
 
     ~80% (75-90) des während eines Kontraktionszyklus in das Sarkoplasma gelangten Ca⁺⁺ stammt aus dem sarkoplasmatischen Retikulum; ~20% (10-25) kommen aus dem Extrazellulärraum. Extrazelluläres Ca⁺⁺ - das über L-Typ Kalziumkanäle in den Myozyt einströmt - ist dennoch von entscheidender Bedeutung, denn es triggert die Freisetzung von Ca⁺⁺ aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (über Ryanodinrezeptoren - CICR).

     L-Typ-Ca⁺⁺-Kanäle (DHPR: Dihydropyridinrezeptoren) erlauben den Einstrom von Ca⁺⁺ aus dem Extrazellulärraum; sie sind besonders dicht in T-Tubuli vertreten. Jedem Kalziumkanal liegen etwa 10 Ryanodinrezeptoren gegenüber. Das Ausmaß des Ca⁺⁺-Stroms wird über Wirkung an ß₁-Rezeptoren verstärkt, durch "Kalziumblocker" abgeschwächt

     Der Ryanodinrezeptor ist ein Ionenkanal ("Ryanodinkanal"). Er bildet einen tunnelförmigen Fortsatz, der sich ganz nahe zu einem L-Typ-Kalziumkanal im Tubulus erstreckt und vermutlich als Kalziumkanal wirkt. Der Ryanodinrezeptor wird durch Ca⁺⁺ aktiviert (CICR: Calcium-induced calcium release) und setzt aus dem junktionalen sarkoplasmatischen Retikulum explosionsartig Ca⁺⁺ frei. So wird die Erregung der transversalen Tubuli in Kalziumfreisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (CICR) "übersetzt"

     Triadin hat Einfluss auf die Kalziumfreisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum, indem es mit dem Ryanodinrezeptor interagiert. Es fungiert als Ca⁺⁺-Sensor und beeinflusst die Interaktion zwischen dem Ryanodinrezeptor und Calsequestrin

     Das Protein Phospholamban bremst im dephosphorylierten (aktiven) Zustand die Aktivität der SERCA (Ca⁺⁺-Pumpe) und damit die Ca⁺⁺-Aufnahme in das sarkoplasmatische Retikulum (Abbildungen). Durch Phosphorylierung wird diese Bremswirkung aufgehoben und Kalzium wird intensiv in das Retikulum zurückgepumpt. Das erfolgt insbesondere unter der Wirkung von Katecholaminen, die so die Relaxation beschleunigen (Lusitropie)

     Troponin bindet Kalziumionen und reguliert die Kontraktion. Ca⁺⁺-Ionen binden an Troponin C, was die räumliche Struktur des Troponinkomplexes ändert (Tropomyosin gibt die Reaktionsstellen für Myosinköpfe frei) und Troponin I zur Bindung an Aktinmoleküle aktiviert (Troponin T bindet an Tropomyosin und unterstützt die Positionierung an das Aktin)

     Tropomyosin ist ein 43 nm langes regulatorisches Protein, das sich zwischen die beiden Ketten der Aktinmoleküle legt und an seinem einen Ende einen Troponinkomplex trägt

     Calsequestrin befindet sich im sarkoplasmatischen Retikulum und kann eine hohe Zahl an Kalziumionen binden

     Desmosomen dienen der mechanischen Verknüpfung von Herzmuskelzellen

     Connexinkanäle verbinden benachbarte Myozyten in gap junctions, sodass elektrische Potentialänderungen direkt von Zelle zu Zelle übertragen werden können

     Sarcoglykane verknüpfen das Zytoskelett der Muskelzelle mit der extrazellulären Matrix und dienen so der mechanischen Verankerung
  

<Abbildung: Kalzium und Herzmuskelaktivität
Nach einer Vorlage bei Mohrman DE / Heller LJ, Cardiovascular Physiology, McGraw Hill 2006

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Links: 80% des für die elektromechanischen Kopplung benötigten Kalziums stammt aus dem sarkoplasmatischen Retikulum. Der Einstrom von Ca⁺⁺ aus dem Extrazellulärraum (20%) erfolgt über L-Typ-Kalziumkanäle, das eingedrungene Ca⁺⁺ triggert die Öffnung sarkoplasmatischer Kalziumkanäle (80%).

Rechts: Unter Mitwirkung von Phospholamban wird Ca⁺⁺ in der Diastole wieder aufgenommen und z.T. an Calsequestrin gebunden. Kalzium verlässt die Herzmuskelzelle über Austausch mit Natrium (1 Ca⁺⁺ gegen 3 Na⁺, netto eine positive Ladung in die Zelle - Beitrag zur Plateauphase des Aktionspotentials), sowie direkt energieverbrauchend

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In der ruhenden Herzmuskelzelle beträgt die Konzentration an freien Kalziumionen ~10^-7M. Bei Erregung steigt sie bis 10^-5M, also etwa 100-fach an. (Im Extrazellulärraum beträgt [Ca⁺⁺] ~10^-3M.)

Zeitlich-räumliche Optimierung: Ca⁺⁺ bindet an Troponin C. Durch die räumliche Anordnung der Permeasen werden in koordinierter Weise gleichzeitig oberflächliche und tiefer gelegene Teile der Muskelfaser mit Ca⁺⁺ "überflutet", was zu hoher Effizienz des Kontraktionsvorgangs führt.

Der weitere Vorgang erfolgt analog dem Kontraktionsmechanismus in der Skelettmuskulatur.

Ca⁺⁺-Ionen verlassen anschließend die Herzmuskelzelle aktiv (Ca⁺⁺-ATPase) oder im Austausch gegen Natrium (NCX = Na⁺-Ca⁺⁺-Austauscher). Der NCX arbeitet ladungsabhängig: Im nicht erregten Myozyt (diastolisch) fördert er Ca⁺⁺ aus der Zelle; im erregten (systolisch) in die Zelle. Insgesamt überwiegt beim NCX der Netto-Auswärtstransport von Ca⁺⁺.
Lusitropie (myokardiale Relaxierung): Die Wiederaufnahme von Ca⁺⁺-Ionen in das intrazelluläre Speichersystem erfolgt über SERCA (Sarcoplasmic / endoplasmic reticulum calcium ATPase). Nicht-phosphoryliertes Phospholamban bindet an SERCA und hemmt seine Aktivität.

      Positive Lusitropie:


      Negative Lusitropie: Die Relaxation des Herzmuskels wird durch folgende Faktoren behindert:

 
Im sarkoplasmatischen Retikulum werden Kalziumionen schwach und daher reversibel, aber mit hoher Kapazität - 65 Ca⁺⁺ pro Molekül Calsequestrin - gebunden.
 
Lage der Kardiomyozyten und Expression von Protein-Isoformen: Lokale Unterschiede (subepi- vs. subendokardial gelegene Schichten) des Funktionsprofils von Myokardzellen sind durch unterschiedliche Isoform-Expression kontraktiler und regulatorischer Proteine bedingt.
  

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Titinmoleküle erstrecken sich über das gesamte Sarkomer; in der Sarkomermitte sind sie über das myosinbindende Protein (orangefarben in der >Abbildung) an Myosin fixiert.

Im Herzmuskel finden sich zwei Teilsequenzen im I-Streifen des Titinmoleküls (N2-B und N2-A), die sich in ihrer Dehnbarkeit unterscheiden und individuell unterschiedlich stark ausgeprägt sind. Regulierende Proteine (Ankyrin etc) interagieren mit Titin im Bereich des M-Streifens.

Entlang des Titinmoleküls wechseln mechanische Eigenschaften: Elastisch im Bereich des I-Streifens, rigide im Bereich der A-Zone. Zonen für Signaltransduktion im M-, I- und Z-Streifenbereich sind in der Abbildung angezeigt.

Titin bestimmt wahrscheinlich die Dehnbarkeit (Compliance) der Sarkomere bzw. des Myokards; sie sind zu den kontraktilen Filamenten parallelgeschaltet, diese sind aber im diastolischen Zustand fast widerstandlos verschiebbar. Mutiertes "Riesentitin" ermöglicht eine Dehnung der Sarkomere bis ~4 µm. Normale Myokardzellen werden in vivo nicht über ~2,3 µm lang; intensivere Streckung resultiert in geringer Dehnbarkeit, die Herzmuskelzelle "versteift".

Die höchste Kontraktionskraft liefert eine Myokardzelle bei einer Sarkomerlänge von 2,2 µm, also bei starker Vordehnung. Bei einem normalen enddiastolischen Volumen beläuft sich die Sarkomerlänge auf 1,8-2,0 µm; das bedeutet, das Myokard arbeitet im ansteigenden Teil der Kraft-Volumen-Kurve (die Kraftausbeute nimmt mit der diastolischen Füllung zu - in Übereinstimmung mit der Aussage des Frank-Starling-Mechanismus).
 

So ergeben sich Druck-Volumen-Diagramme, und da Druck mal Volumen die Dimension Arbeit (K mal L) hat, können die Flächen im Diagramm, die bei einem Herzschlag umstrichen werden, als Maß für die aufgebrachte mechanische Arbeit des Ventrikels während einer Systole herangezogen werden.
 

Die Ruhedehnungskurve (resting length-tension curve) spiegelt mechanische Eigenschaften des Ventrikels wider, die U-Maxima geben mit ihrer Entfernung zum jeweiligen Ausgangspunkt (enddiastolisch - endsystolisch) an, wie intensiv die Kontraktionen sind.
 
    Näheres s. dort
 
Eine Kontraktion, an der alle verfügbaren Muskelfasern teilnehmen, führt zu einem sogenannten Maximum. Jeder Herzschlag erreicht (am Ende der Systole) automatisch ein Maximum, da ja sämtliche Muskelfasern an der Kontraktion teilnehmen (daher nennt man einen solchen zusammenhängenden Zellverband ein funktionelles Synzytium).

Eine Kontraktion, die (wie ein normaler Herzschlag) aus einer iso(volu)metrischen und dann einer isotonen bzw. auxotonen Phase besteht, bezeichnet man als Unterstützungszuckung. Deren Maximalwert ist im Druck-Volumen-Diagramm durch die Lage auf der Linie der U-Maxima gekennzeichnet.

Kontraktionen aus unterschiedlicher diastolischer Vorfüllung (preload) und mit unterschiedlichem Druck im arteriellen Gefäß erreichen unterschiedliche Maximalpunkte im Druck-Volumen-Diagramm, die auf der sogenannten U-Kurve bzw. -Gerade (Verbindung aller Unterstützungs-Maxima - in der <Abbildung rote Gerade) liegen. Je weiter diese von den Ausgangspunkten auf der Ruhedehnungskurve (grün) entfernt sind, desto stärker schlägt das Herz (Abschätzung der Inotropie).

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Wie bei jedem Muskel, hängt die Geschwindigkeit der myokardialen Kontraktion von der Belastung ab (>Abbildung). Ist diese vernachlässigbar gering, kontrahiert der Muskel mit maximal möglicher Geschwindigkeit. Mit zunehmender Gegenkraft nimmt die Verkürzungsgeschwindigkeit ab, was die Entleerung des betreffenden Herzraumes verlangsamt und die Transportfunktion des Herzens beeinträchtigen kann.

Anders ausgedrückt: Mit zunehmender Nachlast (afterload) nimmt - ceteris paribus - die Auswurfgeschwindigkeit ab.

Herzbelastung und Hypertrophie: Über längere Zeit hat der Betrag der Nachlast einen trophischen Effekt: Je höher, desto intensiver ist das "Training" für den Herzmuskel und umso höher wird die Masse des betreffenden Myokards.

    So kommt es z.B. bei Behinderungen der diastolischen Blutströmung durch die AV-Ebene (Klappenstenose) oder systolischen Rückstrom durch eine undichte AV-Klappe (Klappeninsuffizienz) zu verstärkter Belastung des atrialen Myokards und Vorhofhypertrophie.

    Erhöhte Pumpanforderung an die Ventrikel durch wiederholtes intensives körperliches Training (z.B. Radsport) bedingt ein "Sportlerherz", das Ventrikelmyokard nimmt von von ~300 g bis zu ~500 g zu (das führt u.a. auch zu erhöhtem parasympathischen Einfluss - Ruhe-Bradykardie bis unter 40 bpm).

    Taschenklappenprobleme (systolisch: Stenose, diastolisch: Insuffizienz) führen zu erhöhter Belastung und ebenfalls zu ventrikulärer Hypertophie.

Nimmt die mittlere Belastung wieder ab, sinkt auch der trophische Effekt und die Muskelmasse reduziert sich allmählich in Richtung "Kontrollwert" zurück.

Aktionspotentiale breiten sich über Kardiomyozyten und transversale Tubuli aus. Diaden / Triaden sind Kontaktstellen mit Ausläufern des endoplasmatischen Retikulums. Ca++ gelangt über L-Typ-Kalziumkanäle (Dihydropyridinrezeptoren) in die Zelle, und über Ryanodinrezeptoren aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (kalziuminduzierte Kalziumfreisetzung), das löst Kontraktion aus (elektromechanische Koppelung). Ein kleiner Teil des Kalziums wird von Mitochondrien (30-35% des Zellvolumens) aufgenommen. In der Relaxationsphase wird Ca++ über die sarkoplasmatische Kalziumpumpe (SERCA) in das Retikulum zurück, und über Na/Ca-Austauscher nach extrazellulär befördert, Ca++ löst sich vom Troponin, die Kontraktion hört auf         Ca++-Ionen binden an Troponin C, Tropomyosin gibt die Reaktionsstellen für Myosinköpfe frei (Troponin T bindet an Tropomyosin und unterstützt die Positionierung an das Aktin). Die Zahl aktivierter Querbrücken bestimmt die Kontraktionskraft des Herzmuskels. Die Ca++-Konzentration von 0,5-2 µM aktiviert nur einen Teil (im Ruhezustand ~40%) der Myosin-Querbrücken; Steigerung des Kalziumeinstroms (Adrenalin: ß1-Rezeptoren → [cAMP] → Proteinkinase A → Phosphorylierung spannungsabhängiger Ca++-Kanäle → [Ca++]↑) steigert die Schlagkraft (positive Inotropie). ~80% des in das Sarkoplasma gelangten Ca++ stammt aus dem sarkoplasmatischen Retikulum, ~20% aus dem Extrazellulärraum (dieses triggert die Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum). Der Ca++-Sensor Triadin beeinflusst die Interaktion zwischen dem Ryanodinrezeptor und dem Ca++-bindenden Calsequestrin. Phospholamban bremst im dephosphorylierten Zustand die Ca++-Aufnahme in das Retikulum; seine Phosphorylierung hebt diese Bremswirkung auf und Ca++ wird in das Retikulum zurückgepumpt, insbesondere unter der Wirkung von Katecholaminen, diese beschleunigen die Relaxation (Lusitropie)         Titin bestimmt die Dehnbarkeit der Sarkomere / des Myokards: Myokardzellen werden nicht über 2,3 µm lang (mutiertes "Riesentitin" ermöglicht eine Dehnung der Sarkomere bis ~4 µm). Bei einem typischen enddiastolischen Volumen sind die Sarkomere 1,8-2,0 µm lang, die höchste Kontraktionskraft erfolgt bei ~2,2 µm (starke Vordehnung): Das Myokard arbeitet im ansteigenden Teil der Kraft-Volumen-Kurve, die Kraftausbeute nimmt mit der diastolischen Füllung zu         Die Ruhedehnungskurve spiegelt mechanische Eigenschaften des Ventrikels wider. Eine Kontraktion, die aus einer iso(volu)metrischen und dann einer auxotonen Phase besteht, bezeichnet man als Unterstützungszuckung (normaler Herzschlag). Deren Maximalwert ist im Druck-Volumen-Diagramm durch die Lage auf der Kurve der U-Maxima gekennzeichnet (jede Systole ist ein Maximum im Sinne, dass alle Muskelfasern an der Kontraktion teilnehmen). Die Distanz eines U-Maximums zum Ausgangspunkt auf der Ruhedehnungskurve gibt die Intensität der Kontraktionen an (Abschätzung der Inotropie)         Die Geschwindigkeit der myokardialen Kontraktion hängt von der Belastung ab. Mit zunehmender Gegenkraft nimmt die Verkürzungsgeschwindigkeit ab, was die Entleerung des betreffenden Herzraumes verlangsamt, mit zunehmender Nachlast sinkt die Auswurfgeschwindigkeit. Erhöhte Belastung der Ventrikel durch wiederholtes intensives körperliches Training führt zu einem "Sportlerherz", das Myokard nimmt von von ~300 g bis auf ~500 g zu; durch erhöhten parasympathischen Einfluss kommt es zu Ruhe-Bradykardie bis <40 bpm         Herzglykoside reduzieren die Aktivität der Na/K-Pumpe bis um 25%, intrazelluläres [Na+] steigt an, der treibende Natriumgradient für den Na/Ca-Austauscher sinkt, es wird weniger Ca++ exportiert (positiv inotroper Effekt). Der Rücktransport von Ca++ in das sarkoplasmatische Retikulum bleibt gleich (kein lusitroper Effekt)

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