Primäre Aufgabe des Herzens ist die Förderung eines bestimmten Blutvolumens pro Zeit (cardiac output, Herzminutenvolumen). Dessen Größe hängt von den Umständen ab: So nimmt es durch Wechsel von liegender zu aufrechter Körperposition um ~30% ab (hydrostatischer Effekt) und steigt nach dem Essen um ~25% (erhöhte Durchblutung des Splanchnikusgebietes), am Ende der Schwangerschaft um ~50% (erhöhtes Blutvolumen, Bedarf durch den Feten und zusätzliches Gewebe), oder durch körperliche Belastung bis 4-5-fach an (Autoregulation der Muskeldurchblutung). Die Anpassung der kardialen Förderleistung erfolgt vor allem durch das autonome Nervensystem.

Die Förderleistung des Herzens ist auf die Kreislaufsituation abgestimmt. Diese Harmonisierung erfolgt zum Teil durch das Herz selbst (autonom), zum Teil über das Vegetativum und hormonelle Steuerung.

Eine unmittelbare Anpassung der Herzleistung an die aktuelle Kreislaufsituation erfolgt über die Volumenbelastung (preload): Auf eine Zunahme der diastolischen Füllung (Vorlast) reagiert der Herzmuskel mit erhöhter Schlagkraft. Dieser Mechanismus ist autonom, er funktioniert auch ohne nervöse oder humorale Beeinflussung. Durch ihn steigt entweder das Schlagvolumen (bei gleichbleibender Nachlast), oder es wird gegen einen höheren Druck im Arteriensystem (Nachlast) ausgeworfen.
 

Die Kontrolle sympathischer und parasympathischer Aktivität unterliegt Rückkopplungseffekten aus der Peripherie. Das Kreislaufzentrum liegt im Hirnstamm: Der nucl. tractus solitarii erhält Afferenzen aus der Peripherie (Gefäße, Herz, Skelettmuskeln) und der area postrema (chemorezeptorisches zirkumventrikuläres Organ hinter dem nucl. tractus solitarii).

 
Reizung von Barorezeptoren regt den dorsalen Vaguskern sowie den nucleus ambiguus an (Blutdrucksenkung, Herzbremsung) und hemmt das vasokonstriktorische Zentrum (Vasodilatation); Muskeltätigkeit regt umgekehrt den Sympathikus an.

Die autonom-nervöse Kontrolle des Herzens zeigt eine Besonderheit: Typischerweise übt im Organismus der Synpathikus (nicht der Parasympathikus) tonische Aktivität aus (Blutgefäße). Beim Herzen ist es umgekehrt: Der Parasympathikus ist es, der im Ruhezustand  (über muskarinische M₂-Rezeptoren) tonisch auf das Reizleitungssystem wirkt und die Entladungsfrequenz des Sinusknotens (der auf sich alleine gestellt - Spontanfrequenz - 100-120 Entladungen pro Minute produziert) auf 60-70 pro Minute drückt ("Normokardie").

Bei körperlicher Belastung nimmt der parasympathische Einfluss ab, allein das erhöht schon die Schlagfrequenz des Herzens. Zusätzlich steigt der Sympathikustonus, auch schüttet das Nebennierenmark Adrenalin aus, und über ß₁-Rezeptoren wird das Herz gestärkt (positive Inotropie) und seine Schlagfrequenz erhöht (Tachykardie).
 
Der Sympathikus verstärkt und verkürzt die Systole - z.B. bei Stress, Aufrichten des Körpers (Orthostase), körperlicher Belastung oder Blutverlust. Mehrere Komponenten sind im Spiel:
 
     Erhöhte Schlagkraft (positive Inotropie) lässt den ventrikulären Druck stärker und rascher (dp/dt_max) ansteigen
 
     Das Schlagvolumen nimmt (ceteris paribus) zu, die Auswurffraktion (ejection fraction) kann bis um ~65% ansteigen, folglich nimmt das diastolische Volumen ab. Die Zunahme der Kontraktilität reduziert das Ventrikelvolumen (diastolisch und systolisch)

    Die Pulsfrequenz steigt (positive Chronotropie), die Dauer der diastolischen Füllungszeit nimmt ab
 
     Die Refraktärzeit nimmt ab (vermehrte Neigung zu ektopischen Herzschlägen)
 
     Der Quotient zwischen Sauerstoffbedarf und Herzarbeit wird geringer.

Erhöhter Sympathikuseinfluss stärkt also das Herz, hat aber auch problematische Wirkungen, wie die letzten beiden Punkte zeigen.
 
Präganglionäre sympathische Fasern verlassen das Rückenmark in T1-T4 und schalten in paravertebralen Ganglien um ( Abbildung oben). Die wesentlich längeren postsynaptischen Fasern erreichen das Herz über große Gefäße. Sie innervieren alle Teile des Herzens. Schrittmachergewebe wird vor allem von rechtsseitigen, die Ventrikel vor allem durch linksseitige Fasern versorgt. Die für den Herzmuskel charakteristischen ß₁-Rezeptoren kommen an Kardiomyozyten des Menschen 4-mal häufiger von als ß₂-Rezeptoren.
 

Die  Abbildung zeigt positiv chronotrope, inotrope und lusitrope Effekte sympathischer Reizung sowie die Verkürzung des Aktionspotentials der Kardiomyozyten. Die starke Verkürzung der Diastolendauer kann bei hoher Herzfrequenz die diastolischen Füllung der Ventrikel reduzieren: Überschreitet die Herzfrequenz einen Betrag von ~160/min, kann die Auswurffraktion abnehmen, und ein nunmehr sinkendes Herzminutenvolumen kann zu Hypotonie, zerebrale Unterdurchblutung und Kreislaufkollaps führen.

Die Aktivität sympathischer Fasern zum Herzen steigt in Situationen wie Orthostase, Stress, Muskelarbeit, Blutverlust. Die sympathischen Transmitter (Noradrenalin, Adrenalin) wirken über ß₁-Adrenozeptoren. Deren Gs-Protein aktiviert Adenylylcyclase, es entsteht cAMP (das die Na⁺-Leitfähigkeit von HCN-Kanälen erhöht und den Schrittmacherstrom I_f  durch die Zellmembran verstärkt) und spannungsgesteuerte Ca⁺⁺-Kanäle aktiviert (Calcium strömt in die Herzmuskelzelle ein). Proteinkinase A (PKA) wird aktiviert, das regulierende Protein Phospholamban phosphoryliert. Das hebt die Hemmung der muskulär-intrazellulären Calciumpumpe SERCA-2a auf (schnellere Erschlaffung - positive Lusitropie). Zusätzlich führt die stärkere SERCA-Funktion zu einer erhöhten Calciumfreisetzung bei der nächsten Systole (positiv inotroper Fffekt).
 

Abbildung: Wirkung sympathischer Stimulation auf das Schrittmacherpotential
Nach Hutter OF, Trautwein W: Vagal and sympathetic effects on the pacemaker fibers in the sinus venosus of the heart. J Gen Physiol 1956; 39: 715-33

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Tachykardie setzt nur verzögert (einige Sekunden) nach Einsetzen der erhöhten Sympathikusaktivität ein (Zeitmarke: 1 Sekunde). Auch die Rückkehr zur Ausgangsfrequenz nach Absetzen der Stimulation dauert mehrere Sekunden (rechts).
 
Die orange gefärbten Linien deuten die Zunahme der Anstiegssteilheit des Schrittmacherpotentials an - diese verkürzt die Zeit bis zum Erreichen des Schwellenpotentials und steigert die Herzfrequenz.
 
Die obere strichlierte Linie macht auf die Zunahme der Amplitude der Aktionspotentiale hin, erklärbar durch noradrenalinbedingte Steigerung des Calciumeinstroms

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Die Effekte erhöhten Sympathikuseinflusses auf das Herz erfolgen hauptsächlich durch Aktivierung von ß₁-Rezeptoren und damit über Erhöhung des [cAMP] in Kardiomyozyten - Proteinkinase A phosphoryliert Calciumkanäle, und diese lassen mehr Ca⁺⁺ in die Muskelzelle einströmen. Dieses wirkt sich auf die oben genannten Eigenschaften aus, auch beschleunigt es die Zurückbeförderung von Ca⁺⁺ in das sarkoplasmatische Retikulum über SERCA.
 

Noradrenalin / Adrenalin binden an ß1-Rezeptoren. Das aktiviert Adenylylcyclase (cAMP → erhöhter Schrittmacherstrom) und SERCA-2a (raschere Ca++-Rückführung in das sarkoplasmatische Retikulum → raschere Erschlaffung, indirekt positiv inotrope Wirkung), L-Typ- Ca++-Kanäle werden (über PKA) geöffnet (Einstrom von Calciumionen aus dem Extrazellulärraum)

 
Der Effekt an den Herzmuskelzellen ist eine Steigerung der zytosolischen [Ca⁺⁺] und damit eine Erhöhung des Prozentsatzes systolisch aktivierter Myosin-Querbrücken (erhöhte Kontraktilität und Auswurffraktion, verringertes Restvolumen). Gleichzeitig steigt die Aktivität der SERCA-Pumpe durch Inaktivierung von Phospholamban, sodass sich der Muskel rascher entspannt (verkürzte Systolendauer). Auch der enddiastolische Druck nimmt ab.

Im Gegensatz zu einer Schlagvolumensteigerung durch den Frank-Starling-Mechanismus - der vermehrte diastolische Füllung voraussetzt - nimmt der Ventrikeldurchmesser bei sympathischer Stimulierung ab (nicht zu), und zwar sowohl systolisch als auch diastolisch.

Die Steigerung des Schlagvolumens - insbesondere bei körperlicher Belastung - hängt von mehreren Faktoren ab (Grad der Belastung, Alter der Person, Qualität der koronaren Durchblutung). Auch die Körperlage spielt eine Rolle: Während sich das Schlagvolumen bei aufrechter Körperposition deutlich steigern lässt, ist das im Liegen kaum möglich, weil dann die ohnehin schon starke diastolische Füllung nicht wesentlich erhöht werden kann.

Außer der Kontraktilität (positive Inotropie) steigen unter Sympathikuseinfluss Herzfrequenz (positive Chronotropie) und Überleitungsgeschwindigkeit (positive Dromotropie). Die Erregbarkeit nimmt zu (positive Bathmotropie), der Ventrikel erschlafft rascher und vollständiger (positive Lusitropie).

Der parasympathische dorsale Vaguskern und nucleus ambiguus senden mit dem Vagusnerven lange präganglionäre Fasern bis zum Herzen und wirken hier vor allem bremsend auf das Reizleitungssystem (rechter Vagus vorwiegend auf Sinusknoten, linker auf AV-Knoten, Abbildung oben). Diese Wirkungen erfolgen via M₂-Rezeptoren, d.h. sie hemmen die Adenylatzyklase, öffnen über βγ-Untereinheiten von G_i-Protein K_G (K_ACh) -Kaliumkanäle und hyperpolarisieren so die Herzmuskelzellen (das Membranpotential rückt näher an das Kalium-Gleichgewichtspotential von -94 mV). Diese Umstellung erfolgt sehr rasch, was erklärt, wieso es zu respiratorischer Sinusarrhythmie (exspiratorische Frequenzabnahme), plötzlicher Bradykardie beim Tauchen oder bei vasovagaler Synkope, und sogar zu Herzstillstand bei übermäßiger vegetativer Reizung (Bolustod) kommen kann.

Muskarinerge Rezeptoren finden sich in großer Zahl in den Vorhöfen (Sinusknoten, AV-Knoten), aber kaum in den Ventrikeln.

Die Ruhefrequenz von ~60/min (bei hohem körperlichem Trainingsgrad wegen des erhöhten parasympathischen Tonus niedriger, bis etwa 30/min: training bradycardia) ist Vagustonus-bedingt - die Spontanfrequenz eines isolierten Sinusknotens bzw. eines denervierten Herzens liegt bei ~100/min (Reduktion des Vaguseinflusses erhöht sofort die Herzfrequenz). Hochtrainierte Sportler zeigen auch eine rasche Erholung (Reduktion) der Pulsfrequenz nach körperlicher Belastung, ebenfalls durch erhöhten Vagustonus erklärbar. Acetylcholin senkt vor allem das Tempo der spontanen Depolarisation (ein langanhaltender Effekt, der auch bei relativ geringer Acetylcholineinwirkung bestehen bleibt).
 
Parasynpathische Efferenzen senken vor allem die Herzfrequenz (negativ chronotrope Wirkung), auch die Überleitung sowie Schlagkraft im Vorhofbereich (nicht in den Ventrikeln, zumindest nicht direkt).

 

Akute Zunahme des (zentralen) Blutdrucks führt reflektorisch zu erhöhter Freisetzung von Acetylcholin aus efferenten (parasympathischen) Fasern des Vagusnerven, die zum Herzen ziehen

 
Der frequenzsenkende Effekt des Acetylcholins beruht auf einer Förderung des Kaliumausstroms aus der Herzmuskelzelle; dadurch wird die Wirkung der HCN-Kanäle (Begünstigung von Na⁺-Einstrom) reduziert und die Spontandepolarisation der Schrittmacherzellen verlangsamt.
 

Azetylcholin fördert den K+-Ausstrom und senkt die Geschwindigkeit der spontanen Depolarisation von Schrittmacherzellen (negativ chronotroper Effekt). Werden muskarische Rezeptoren am Herzen blockiert (z.B. durch Atropin), steigt die Herzfrequenz

   

Abbildung: Nucleus tractus solitarii und zentrale Kreislaufsteuerung
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

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Afferenzen von Mechanorezeptoren in Carotissinus und Aortenbogen (Hochdruckrezeptoren) sowie dem Herzen senden an den nucleus tractus solitarii druckproportionale Aktionspotentialfrequenzen (PD-Fühler). Von hier gelangen Steuerimpulse an kardioinhibitorische und vasomotorische Neuronengruppen.

Die Efferenzen sind - bei Druckabfall - sympathisch (Herzanregung, Vasokonstriktion, Adrenalinausschüttung aus der Nebenniere) oder - bei Druckerhöhung - parasympathisch (sinkende Pulsfrequenz)

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  Über das Vasomotorenzentrum s. dort

Barorezeptoren in der Wand des Karotissinus und des Aortenbogens sind - wie die meisten Sinnesrezeptoren - PD-Fühler, d.h. sie antworten nicht nur entsprechend dem Betrag des Reizes (proportional), sondern sprechen auch auf dessen Änderung an (differentiell). Sie reagieren auf Dehnung der Gefäßwand (infolge arterieller Drucksteigerung) mit erhöhter Aktionspotenzialfrequenz.

Die Afferenz zum Kreislaufzentrum im Hirnstamm ( Abbildung)
 
     nucleus tractus solitarii: Afferenz von Barorezeptoren, Efferenz zu nucl. ambiguus und ventrolaterale medulla;
 
     nucleus ambiguus: Afferenz von nucl. tractus solitarii, Efferenz zu N. vagus;
 
     ventrolaterale medulla: Efferenz zu Sympathikus
 
läuft über den IX. (von Carotisrezeptoren) und X. Hirnnerven (von Aortenrezeptoren).

Da der arterielle hydrostatische Indifferenzpunkt etwa auf Höhe des Aortenbogens liegt, reagiert vor allem der Karotissinus auf Lageänderung des Körpers (liegend <=> aufrecht).

Vasodilatation führt zu stärkerer Füllung der Kapazitätsgefäße und damit Druckentlastung in den Vorhöfen.
 
Die Kontraktilität des Herzmuskels wird durch parasympathische Fasern nur schwach beeinflusst, eine maximale Parasympathikusaktivität kann jedoch die Schlagkraft der Ventrikel um bis zu 38% reduzieren. Parasympathische Fasern hemmen die Aktivität sympathischer Efferenzen; das gilt auch vice versa (cross-inhibition).

 
Man unterscheidet folgende Kriterien zur Beurteilung der Herzfunktion ("Herzqualitäten") - vgl. dort:

     Inotropie : Einfluss auf die Schlagkraft ("herzstärkende" inotrope Wirkung). Mit zunehmender systolischer Ca⁺⁺-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (SR) steigt die Zahl engagierter Myosin-Querbrücken und damit die Kontraktionskraft der Kardiomyozyten.

Zur Beurteilung der Inotropie wird die maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit im Ventrikel (pd/dt_max) herangezogen. Diese kann mittels Herzkatheteruntersuchung festgestellt werden.

Ca⁺⁺-Einstrom durch L-Kanäle (transversale Tubuli) regt den Ca⁺⁺-Strom aus dem sarkoplasmatischen Retikulum in das Sarkoplasma via Ryanodinrezeptoren (calcium release channels) an (trigger Ca⁺⁺). Anschließend wird Ca⁺⁺ aus dem Sarkoplasma in das SR zurückbefördert (SERCA: Sarcoplasmic / endoplasmic reticulum calcium ATPase).

Steigender Calciumeinstrom in das SR über mehrere Herzschläge (vermehrter Affinität der SERCA-Calciumpumpe) erhöht den Calciumspeicher des sarkoplasmatischen Retikulums und wirkt so positiv inotrop.

Positiv inotrop wirken Katecholamine, negativ inotrop ("herzschwächend") u.a. Sauerstoffmangel und Azidose.

 

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Positiv inotrop wirkende Substanzen steigern die sarkoplasmatische (intrazelluläre) Konzentration freier Calciumionen ([Ca⁺⁺]_i) - durch Öffnung von Calciumkanälen, Hemmung des Na/Ca-Austausches (NCX), oder der Calciumpumpen, alles in der Außenmembran der Herzmuskelzelle (Sarkolemm). Dies erfolgt durch
 
      ß₁-adrenerge Wirkung,
 
     Herzglykoside,
 
      Frequenzinotropie,
 
      Absinken des extrazellulären Natriumspiegels (verringert den Na-Gradienten für den Na/Ca-Austausch),
 
      Erhöhung des Serum-Calciumspiegels ([Ca⁺⁺]_o) - verstärkt das Einströmen durch L-Typ-Calciumkanäle und verringert den Ca-Gradienten für den Na/Ca-Austausch.
 
Negativ inotrop wirken Stoffe, die den [Ca⁺⁺]_i senken:
 
      Calciumkanalblocker hemmen L-Typ-Calciumkanäle,
 
      erniedrigter extrazellulärer Calciumspiegel reduziert den Gradienten für den Calciumeinstrom,
 
      erhöhter Natriumspiegel verstärkt den Na-Gradienten für den Na/Ca-Austausch.
 
     Chronotropie : Einfluss auf die Steilheit der spontanen Depolarisierung, also des Schrittmacherpotentials ( Abbildung) - Beurteilung über die Schlagfrequenz (chronotrope Wirkung). Chronotrope Wirkung haben Einflüsse auf ( vgl. dort):
 
      Kaliumausstrom (i_Kv) - vermehrte Deaktivierung der Kaliumkanäle steigert Depolarisierungstempo und Herzfrequenz
 
      "Funny"-Natriumeinstrom (i_f) - wie die beiden folgenden senkt er das Membranpotential und steigert die Herzfrequenz
 
      Calciumeinstrom (i_Ca-L)
 
      Natriumeinstrom über 3Na/Ca-Austauscher (i_Na-Ca).

Steigende Schlagfrequenz senkt, abnehmende steigert den diastolischen Zeitanteil am Herzzyklus (Ruhe: Systolen- / Diastolendauer 1:2), um bei Tachykardien über ~160/min eine ineffektive Ventrikelfüllung, sinkende Auswurffraktion, reduziertes Herzminutenvolumen zu bedingen; im Extremfall kann Bewusstlosigkeit auftreten ( s. oben).
  

Die parasympathische Wirkung erfolgt sofort; Acetylcholin beeinflusst das Schrittmacherpotential unverzüglich, und Cholinesterase entfernt den Transmitter umgekehrt auch sehr zügig aus dem Extrazellulärraum - der Parasympathikuseffekt lässt sich prompt beenden. Der Sympathikuseffekt ist verzögert und schließt auch eine Erhöhung des Spitzenpotentials ein ( Abbildung), bedingt durch ß-Rezeptor-bedingte Verstärkung des Ca⁺⁺-Einstroms. Dazu kommen weitere Effekte auf Ionenkanäle (verstärkter Natriumeinstrom durch if-Kanäle, verstärkte Inaktivierung spannungsgesteuerter Kaliumkanäle).

Die Dauer der Plateauphase des Aktionspotentials hängt von der Herzfrequenz ab: Je höher letztere ist, desto kürzer dauert das Plateau, im EKG nimmt die Dauer der QT-Zeit ab.
 
     Dromotropie : Einfluss auf die Erregungsleitungsgeschwindigkeit (vor allem im AV-Knoten) - Beurteilung über das EKG (Länge des PR-Intervalls). Reizung von ß₁-Rezeptoren im AV-Knoten beschleuningt die atrio-ventrikuläre Überleitung (positiv dromotroper Effekt).
 
     Bathmotropie : Einfluss auf die Erregbarkeit (bathmotrope Wirkung) - eine Veränderung des Schwellenpotentials wirkt sich bathmotrop aus: Je höher der Potentialbetrag (Hyperpolarisierung), desto länger dauert es bis zum Erreichen des Schwellenpotentials.
 
     Lusitropie : Wirkungen auf die diastolische Relaxation nennt man lusitrop (Zeit von Kontraktionsmaximum bis Erreichen der vollständigen Erschlaffung). Der lusitrope Effekt beruht vor allem (85%) auf der Wirkung von Phospholamban auf die Steuerung der Ca⁺⁺-Aufnahme in das sarkoplasmatische Retikulum durch SERCA (15% gehen auf das Konto von Troponin I). Das heißt, er wird vor allem durch raschere Aufnahme von Ca⁺⁺-Ionen aus dem Sarkoplasma in das sarkoplasmatische Retikulum bewirkt - durch die SERCA des Netzwerk-SR. Der lusitrope Effekt erhöht die Zeit für die diastolische Füllung der Ventrikel.
 
     Die Abhängigkeit der Schlagkraft von der Herzfrequenz wird als Frequenzinotropie bezeichnet ("Bowditch-sche Herztreppe"; Anreicherung von Ca⁺⁺ in den Myozyten durch transiente Überforderung des Rücktransportes erhöht wahrscheinlich die Kontraktion).
 
Das autonome Nervensystem beeinflusst die Herzqualitäten:
 
      Der (noradrenerge) Sympathikus (ß1-Adrenozeptoren) fördernd ("positiv"), z.B. steigen Schlagkraft und Herzfrequenz, die Förderleistung des Herzens nimmt zu
 
      Der (cholinerge) Parasympathikus (Vagus - muskarinische M2-Rezeptoren) dämpfend ("negativ") - er stellt das Herz auf "Schongang".
 

Blockade muskarinischer Rezeptoren führt zu Tachykardie

 
 
Abbildung: Autonom-nervöse Einflüsse auf eine kardiale Schrittmacherzelle
Modifiziert nach einer Vorlage in Herring / Paterson, Levick's Introduction to Cardiovascular Physiology, 6th ed. 2018

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Oben: ß₁-Rezeptoren (noradrenerg) aktivieren G_s-Proteine und Adenylylcyclase, [cAMP] nimmt zu. Erhöhter Schrittmacherstrom durch i_f-Kanäle depolarisiert die Zelle unmittelbar, über Proteinkinase A werden Ca⁺⁺-Einstrom (i_Ca-L) und Repolarisierung (i_Kv) angeregt. Der Ca⁺⁺-Pumpenhemmer Phospholamban wird inaktiviert, Ca⁺⁺ zügig in das sarkoplasmatische Retikulum evakuiert, der Herzmuskel entspannt rascher (lusitroper Effekt).
 
Propranolol ist ein ß₁-Blocker, Caesiumionen (Cs⁺) hemmen den i_f-Natriumkanal, Verapamil den L-Typ Calciumkanal.

Unten: M₂-Rezeptoren (cholinerg, kardialer Subtyp) aktivieren G_i-Proteine, deren abdissoziierte ßγ-Untereinheit aktiviert Kaliumkanäle (inward rectifier K_ACh channel), die Zelle wird in Richtung K-Gleichgewichtspotential hyperpolarisiert.
 
Gleichzeitig reduziert die α-Untereinheit die Aktivität der Adenylylcyclase (hier nicht gezeigt), damit sinkt die Öffnungswahrscheinlichkeit der i_f- und i_Ca-L-Kanäle (Natrium- und Calciumeinstrom), was das Schrittmacherpotential abflacht (vgl. Abbildung oben)

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      Der Sympathikus (T1-4) lässt den Sauerstoffverbrauch stärker ansteigen als die Herzarbeit, d.h. er erhöht zwar die Auswurfleistung, reduziert jedoch dabei die Effizienz der Herztätigkeit. Das limitiert die Nützlichkeit von ß-Agonisten zur Schockbekämpfung: gesteigerter Sympathikustonus - wie er bei Myokardinfarkt auftritt - hebt den Sauerstoffbedarf des (verletzten!) Gewebes an.
 
Katecholamine binden an ß1-Rezeptoren ( Abbildung), diese
 
      aktivieren die Adenylylcyclase (cAMP) und Proteinkinase A. Das öffnet L-Typ-Ca⁺⁺-Kanäle und dies verstärkt den Calciumeinstrom aus dem Interstitium.
 
      Weiters wird SERCA-2a (eine Ca⁺⁺-ATPase) in der Membran des sarkoplasmatischen Retikulums aktiviert; dadurch wird Calcium schneller aus dem Sarkoplasma zurückgepumpt, die Faser erschlafft schneller und die nächste Kontraktion wird durch erhöhte Calciumfreisetzung intensiviert.

Beides steigert die Kontraktionskraft des Myokards (positiv inotroper Effekt).
 

Katecholamine bewirken verbesserte Verfügbarkeit von Calciumionen und damit einen positiv inotropen (kontraktionsstärkenden) Effekt

   
      Parasympathische Einflüsse (nucl. dorsalis der medulla oblongata > N. vagus) werden über muskarinische M₂-Rezeptoren vermittelt ( Abbildung), die reichlich an den Vorhöfen und am Reizleitungssystem vorkommen, kaum im Ventrikel. Die α-Untereinheiten reduzieren die Aktivität der Adenylylcyclase und senken die Konzentration an cAMP, damit sinkt die Öffnungswahrscheinlichkeit der i_f- und i_Ca-L-Kanäle (Natrium- und Calciumeinstrom), was das Schrittmacherpotential abflacht. Die ßγ-Untereinheiten aktivieren Kaliumkanäle (inward rectifier K_ACh channel), die Zelle wird in Richtung K-Gleichgewichtspotential hyperpolarisiert.

Die Ruhefrequenz hochtrainierter Menschen ist wegen ihres erhöhten Vagustonus herabgesetzt (Bradykardie: "Sportlerherz"). Hauptgrund ist die Verflachung des Schrittmacherpotentials, die Hyperpolarisierung hat einen geringeren Anteil am Bradykardieeffekt.

Parasympathische Effekte treten prompt auf und verschwinden mit dem raschen Abbau von Acetylcholin auch sehr schnell. "Respiratorische Arrhythmie" (Sinusarrhythmie - Abnahme der Herzfrequenz bei Ausatmung) ist durch Oszillationen des Vagustonus (nicht des Sympathikustonus) erklärbar. Vagal bewirkte Bradykardie ist auch Bestandteil des Tauchreflexes. Bei einer vasovagalen Synkope ist es der hohe Vagustonus, der den Herzschlag aussetzen lässt.

Intensive Parasympathikuswirkung kann Dysrhythmien, Überleitungsblock oder Herzstillstand (Beispiel Bolustod: Herzstillstand durch Übererregung im Rachenbereich und extreme Parasympathikusstimulation) zur Folge haben.
 
 

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Präsynaptische Interaktionen: Wie an zahlreichen anderen Stellen im Körper, dämpfen einander auch am Herzen entgegengesetzte Regelungseffekte wechselseitig. Das verhindert überschießende Reaktionen und stabilisiert das Systemverhalten (“accentuated antagonism”).

Diese reziproke Inhibition spielt sich zwischen sympathischen und parasympathischen Fasern auf präsynaptischer Ebene ab ( Abbildung). Noradrenalin (aus sympathischen Fasern) hemmt über α2-Adrenozeptoren parasympathische Neuronen, und Acetylcholin (aus parasympathischen Fasern) über muskarinerge Rezeptoren sympathische Nervenzellen - beides knapp vor der Herzmuskelzelle.

Autorezeptorvermittelte Selbsthemmung: Darüber hinaus inhibieren in den Extrazellulärraum freigesetzte Transmitter ihre eigene weitere Freisetzung: Noradrenalin über präsynaptische α2-, und Acetylcholin über präsynaptische M-Rezeptoren. Auch dadurch wird einem überschießenden Systemverhalten vorgebeugt.

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Der Baroreflex verstärkt den Effekt des Starling-Mechanismus noch, indem er die Vorlast des Herzens durch Tachykardie weiter senkt. Der Wirkungsbereich des Starling-Mechanismus konzentriert sich auf niedrige Füllungswerte des Ventrikels.

     Hoher Volumenbereich (gelbe Felder, rechts): Bei zunehmendem Herzminutenvolumen supprimiert der Baroreflex eine weitere Stärkung durch den Starling-Mechanismus und kompensiert dessen Effekt - die Schlagvolumenskurve verflacht (blau). Das Schlagvolumen nimmt mit zunehmender Hypovolämie ab, von Hypervolämie bleibt es unbeeinflusst.

Andererseits steigert der Bainbridge-Reflex die Herzfrequenz mit zunehmender kardialer Blutfüllung. Das bedeutet: Die Herzfrequenz ist am niedrigsten bei einem normalen Betrag des effektiven Blutvolumens. Sowohl Hypovolämie als auch Hypervolämie steigert die Herzfrequenz (bedingt durch den Barorezeptor- bzw. Bainbridge-Reflex).
 
Ergebnis dieser drei Mechanismen (Barorezeptorreflex, Starling-Mechanismus, Bainbridgereflex): Das Herzminutenvolumen (rote Kurve) nimmt mit dem zentralen Blutvolumen stetig zu. Man sieht, das dies nicht auf einen Mechanismus alleine, sondern auf das Zusammenwirken mehrerer Mechanismen zurückzuführen ist.

Baroreflex, Bainbridge-Reflex und Starling-Mechanismus sind nur drei von zahlreichen weiteren Einflüssen auf die autonome Herztätigkeit. Dazu zählen Vorlast und Nachlast, die wiederum abhängen von Faktoren wie Blutvolumen, Gefäßcompliances, und Strömungswiderstandswerten ( s. dort).

Diese Faktoren sind ihrerseits beeinflussbar durch den Blutspiegel vasoaktiver Stoffe - wie Angiotensin, Vasopressin, Adrenalin, oder lokalen Mediatoren (z.B. NO, Endothelin).

Weiters wirken Aldosteron und natriuretische Peptide auf den Elektrolythaushalt und damit einerseits auf Flüssigkeitsvolumina (Kochsalz ... extrazelluläres Volumen), andererseits auf Membranpotentiale und -erregbarkeit (Natrium: Einstrom erzeugt Aktionspotential; Kalium: Ausstrom erzeugt Ruhepotential; Calcium: Einstrom depolarisiert die Zelle, wirkt als second messenger sowie unmittelbar anregend, z.B. auf Kontraktion, Sekretion).
Der Starling-Mechanismus hat physiologischerweise kaum Bedeutung für die Anpassung der Herzleistung an die Bedürfnisse des Kreislaufs (insbesondere bei Muskelarbeit, bei der das Herzzeitvolumen bis zu etwa 5-fach ansteigen kann) - der Anstieg des Sympathikustonus erhöht die Pumpleistung bei praktisch unverändertem diastolischem Füllungsdruck. Anders ist das bei Menschen, die ein transplantiertes Herz haben (das über keine Nervenversorgung mehr verfügt) - hier ist keine sympathisch-noradrenerge positiv inotrope Wirkung mehr möglich, und der Starling-Mechanismus erhält eine wichtige Rolle für die Anpassung der Herzleistung (über gesteigerten diastolischen Füllungsdruck, der sich aus dem erhöhten venösen Rückstrom ergibt).

Der nucleus tractus solitarii erhält Afferenzen von Barorezeptoren (Carotissinus, Aortenbogen, Herz) und projiziert auf den nucl. ambiguus (Efferenzen zu Vaguskernen) und die ventrolaterale medulla (Efferenzen zum Sympathikus). Sympathische Fasern (T1-T4) innervieren alle Teile des Herzens, ihre Aktivität steigt bei Orthostase, Stress, Muskelarbeit, Blutverlust. Sie erhöhen intrazelluläre [Ca++] und damit den Prozentsatz aktivierter Myosin-Querbrücken (erhöhte Kontraktilität, verringertes Restvolumen); die Aktivität der SERCA-Pumpe nimmt durch Inaktivierung von Phospholamban zu (verkürzte Systolendauer); der Ventrikeldurchmesser nimmt sowohl systolisch als auch diastolisch ab. Sympathische Effekte beginnen verzögert und halten länger an. Sympathische Varikositäten setzen Katecholamine, Neuropeptid Y und Galanin frei und hemmen die Transmitterfreisetzung parasympathischer Endigungen         Der parasympathische dorsale Vaguskern wirkt bremsend auf das Reizleitungssystem (rechter Vagus: Sinusknoten, linker: AV-Knoten) und senkt die Herzfrequenz (Ruhefrequenz ~60/min: Spontanfrequenz des Sinusknotens ~100/min). Parasympathikusaktivität senkt auch die Schlagkraft der Ventrikel. Vasodilatation führt zu stärkerer Füllung der Kapazitätsgefäße und damit Druckentlastung der Vorhöfe. Parasympathische Effekte treten prompt auf und verschwinden auch rasch (Sinusarrhythmie durch Oszillationen des Vagustonus). Hochtrainierte Menschen haben in Ruhe einen erhöhten Vagustonus und sind bradykard ("Sportlerherz"). Parasympathische Nervenfasern setzen neben Acetylcholin auch VIP und endogene Opioide frei         Kriterien zur Beurteilung der Herzfunktion ("Herzqualitäten") sind die Inotropie (Schlagkraft: mit dem Ca++-Einstrom steigt die Zahl aktivierter Myosin-Querbrücken) - Beurteilung über den maximalen Druckanstieg im Ventrikel (pd/dtmax); Chronotropie (Herzfrequenz: Steilheit des Schrittmacherpotentials); Dromotropie (Geschwindigkeit der Erregungsleitung, vor allem im AV-Knoten) - Beurteilung über Länge des PR-Intervalls im EKG); Bathmotropie (Erregbarkeit - über Veränderung des Schwellenpotentials); Lusitropie (diastolische Relaxation - Steuerung der Ca++-Aufnahme in das sarkoplasmatische Retikulum über Phospholamban). Die Herzqualitäten werden sympathisch (via ß1-Adrenozeptoren) positiv, parasympathisch (via M2-Rezeptoren) negativ beeinflusst (vermindert). - Frequenzinotropie ist die Abhängigkeit der Schlagkraft von der Herzfrequenz ("Bowditch- Herztreppe": Anreicherung von Ca++)         Das zentrale Blutvolumen beeinflusst die Herzleistung über die Kombination mehrerer Mechanismen / Reflexe: Das Herzminutenvolumen nimmt mit dem effektiven Blutvolumen zu (Starling-Mechanismus); bei höheren Volumina durch Ansteigen der Herzfrequenz (Bainbridge-Reflex). Der Baroreflex verstärkt den Effekt des Starling-Mechanismus, indem er die Vorlast des Herzens durch Tachykardie weiter senkt. Im Ergebnis nimmt das Herzminutenvolumen mit dem zentralen Blutvolumen stetig zu

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