Eine Reise durch die Physiologie

V.       VI. Physiologie des Herzens       VII.


Stellung des Herzens im Kreislauf; Vor- und Nachlast, Frank-Starling-Mechanismus

Phasen der mechanischen Herzaktion, Herztöne

Pumpleistung des Herzens, Einflüsse auf das Herzzeitvolumen

Koronargefäße, Stoffwechsel des Myokards, Herzmuskelenzyme

Physiologie der kardialen Erregungsausbreitung

Elektromechanische Kopplung und Kontraktionsmechanismus

Vor- und Nachlast, Reflexe und hormonelle Wirkungen

Einflüsse auf die Herztätigkeit

Untersuchung der Herzfunktion

Praktikumsübung: Physiologie des Herzens

Welche Aufgaben hat das Herz?  Außer seiner Funktion als Blutpumpe ist das Herz auch Messorgan (Dehnungsrezeptoren in Vorhöfen und Ventrikeln) und Hormonproduzent (atriale natriuretische Peptide). Es schlägt autonom, steht aber unter dem Einfluss humoraler (z.B. Adrenalin) und autonom-nervöser Steuerung. Der Herzmuskel gehört zu den intensiv energieverbrauchenden Geweben, er konsumiert mit <0,5% des Körpergewichts ≈10% des gesamten Sauerstoffbedarfs des Organismus und produziert viel Wärme ("heiße" Zone auf Infratotaufnahmen des Körpers).

Zellen des Arbeitsmyokards haben (soferne sie gesund sind) ein stabiles Ruhepotential, Zellen des Erregungsbildungs- und Reizleitungssystems können spontan Aktionspotentiale erzeugen. Über das Verhalten des Ruhepotentials entscheidet die Ausstattung mit Ionenkanälen in der Zellmembran; beispielsweise ermöglichen sogenannte HCN-Kanäle (Hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated cation channels - Ionenkanäle, die Kationen in die Zelle einlassen) spontane Depolarisation und Entladung. Im Sinusknoten des Vorhofs entstehen so rhythmisch Aktionspotentiale, die dann über den gesamten Herzmuskel geleitet werden und diesen aktivieren: Alle Myozyten sind mit ihren Nachbarn über gap junctions elektrisch leitend verbunden (funktionelles Synzytium). Die "Eigenfrequenz" des (unbeeinflussten) Sinusknotens liegt bei knapp 100/min; die typische Ruhefrequenz von ≈60/min entsteht durch ein Überwiegen parasympathischer Aktivität ("Vagustonus").

Die Abfolge von elektrischen Vorgängen am Herzen bewirkt im Körper und an seiner Oberfläche Schwankungen des elektrischen Potentials. Greift man diese von (definierten) Orten ab, entstehen Elektrokardiogramme (EKG). Ein typisches EKG zeigt eine P-Welle als Ausdruck der Erregungsausbreitung in den Vorhöfen; einen QRS-Komplex als Zeichen der Erregungsausbreitung in den Ventrikeln; und eine T-Welle, die infolge der Repolarisierung der Ventrikel auftritt.
Die Durchblutung des Herzmuskels erfolgt über Koronargefäße. Diese sind funktionelle Endarterien, d.h. ein Verschluss kann nicht ausreichend durch Versorgung durch Nachbargefäße wettgemacht werden (Herzinfarkt). Solche Durchblutungsstörungen wirken sich u.a. auf das EKG-Bild aus, und die geschädigten Herzmuskelzellen geben Enzyme ins Blut ab, deren (erhöhte) Konzentration dann als "Marker" für das Infarktgeschehen dienen kann.

Der Herzmuskel nimmt einerseits Blut auf, das ihm von der Zustromseite angeboten wird (Venenblut für das rechte Herz, Blut aus der Lunge für das linke); und es pumpt dieses - mit entsprechendem Druck - in Aorta (linkes Herz) und Lungenschlagader (rechts). Das Volumenangebot ("Niederdrucksystem") wird als Vorlast (preload), der dynamische Widerstand bzw. arterielle Druck als Nachlast (afterload) bezeichnet. Vor- und Nachlast stehen zwangsläufig im Gleichgewicht, bei Entgleisung der Herzfunktion können aber abnorme Druckwerte auftreten (z.B. bei Herzinsuffizienz mit Rückstau Anstieg des venösen, und Abfall des arteriellen Drucks).

Die Funktionscharakteristika des Herzens einerseits (z.B. Frank-Starling-Mechanismus) und des gesamten Kreislaufs andererseits (Hämodynamik) müssen aufeinander abgestimmt sein. Der nach Otto Frank und Ernest Starling benannte Mechanismus passt die systolische Pumpleistung an das diastolische Volumenangebot an; zusätzliche Reflexe berücksichtigen die Systembelastung an verschiedenen Stellen. Längerfristige Regulationsmechanismen ermöglichen adaptive Anpassungen, z.B. beim wachsenden Organismus, wo sowohl das Herz als auch die Gefäße im gesamten Kreislauf vielfache Veränderungen durchlaufen.
Die mechanische Herztätigkeit wird in Systole (Kontraktion) und Diastole (Erschlaffung) unterteilt. Zwischen Vorhöfen (Atrien) und Kammern (Ventrikeln) liegen Atrioventrikular- (AV)- Klappen, und zwischen Ventrikeln und Ausstromgefäßen die Aorten- bzw. Pulmonalklappe. Bei Durchlauf eines Pumpzyklus folgen aufeinander die (1) Anspannungs-, (2) Austreibungs-, (3) Entspannungs- und (4) Füllungsphase. Während (1) und (3) sind alle Klappen geschlossen, die Blutmenge im Ventrikel gleichbleibend (isovolumetrische Phasen); (4) hat eine frühe Phase, in der die offene AV-Klappe vorhofwärts über eine Blutsäule gleitet ("Ventilebenenmechanismus"); und eine späte, in der sich die Vorhöfe kontrahieren (was zu ≤20% zur Ventrikelfüllung beiträgt). Der Venenpuls hat eine entsprechende mehrphasige Form.

Kriterien wie Schlagkraft (Inotropie), Herzfrequenz (Chronotropie), Reizleitung (Dromotropie), Erregbarkeit (Bathmotropie) und Erschlaffung (Lusitropie) erlauben Rückschlüsse auf die Herzfunktion und werden unter dem Begriff Herzqualitäten zusammengefasst. Sympathische Impulse haben "positive" (fördernde), parasympathische "negative" (dämpfende) Wirkung auf die Herzqualitäten. Liegt die Herzfrequenz unter 60/min, spricht man von Bradykardie, liegt sie über 100/min, von Tachykardie.

Herzerkrankungen gehören zu den wichtigsten Morbiditäts- und Mortalitätsursachen (Lebensstil). Die koronare Herzkrankheit stellt eine der häufigsten Todesursachen in westlichen Industrieländern dar. Diese kann sich manifestieren als Myokardinfarkt, Angina pectoris, Rhythmusstörung, plötzlicher Herztod. Kardiologische Komplikationen (wie Erregungsbildungs- und Reizleitungsstörungen, Herzinsuffizienz) lassen sich auf der Basis guter physiologischer Kenntnisse besser verstehen und therapieren.

© H. Hinghofer-Szalkay