I. Właściwości elektryczne mięśnia sercowego.
1.Potencjał spoczynkowy- wielkość i geneza
Potencjał czynnościowy w mięśniu roboczym serca wynosi -90 mV. Podstawowymi elementami potencjału spoczynkowego są:
-gradienty sodowy i potasowy
-różnice w biernej przepuszczalności sarkolemmy dla jonów Na+ i K+.
W sarkolemmie miocytów znajdują się m.in. kanały potasowe K1. W stanie spoczynku miocytu kanały te są aktywne, co zapewnia wysoką przewodność sarkolemmy dla potasu. K+ dyfunduje odkomórkowo przez te kanały zgodnie z gradientem ich stężeń. Jest to jednak ograniczona dyfuzja, bowiem odkomórkowa dyfuzja jonów K+ nie może być skompensowana przez przesunięcie innych jonów w miejsce dyfundujących K+. Siła odkomórkowej dyfuzji jonów K+ jest równoważona na drodze elektrostatycznego przyciągania K+ przez aniony organiczne, które nie mogą dyfundować przez sarkolemmę. Tak więc jony K+, które dzięki dużej różnicy stężeń tych jonów w płynie zewnątrz- i wewnątrzkomórkowym oraz przewodności sarkolemmy mogłyby dyfundować „wiszą” w niej na ujemnym potencjale.
Zgodnie z równaniem Goldmana potencjał błonowy kardiomiocytów jest wypadkową potencjałów równowagi dla jonów K+ i dla jonów Na+. Napływ dokomórkowy jonów Na+ przez wolne kanały sodowe jest równoważony przez jego czynny odkomórkowy transport m.in. poprzez pompę sodowo-potasową. Wynika z tego, że potencjał spoczynkowy miocytu jest w dużym stopniu potencjałem równowagi dyfuzji jonów K+. Potencjał spoczynkowy komórek układu przewodzącego jest niższy niż miocytów roboczych (wynosi ok. -60 mV) i jest niestabilny ze względu na powolną spoczynkową depolaryzację.
2.Potencjał czynnościowy- wielkość, geneza poszczególnych faz, czas trwania.
W mięśniach roboczych wyzwolenie potencjału czynnościowego następuje na skutek gwałtownego przesunięcia potencjału błonowego powyżej wartości -65 mV. Składa się on z następujących faz:
1- faza 0- trwająca kilka milisekund faza depolaryzacji i odwrócenia do wartości dodatnich między 0 a +35 mV. Przesunięcie potencjału do wartości progowej -65 mV powoduje aktywację kanałów Na+ co powoduje napływ do komórki prądu dodatnich ładunków (Ina). Potencjał w ciągu kilku milisekund osiąga wartość dodatnią, co pociąga za sobą następujące zmiany w stanach czynnościowych kanałów jonowych miocytów
2.Kanały Na+ ulegają szybkiej inaktywacji,
3.Kanały K1 ulegają zamknięciu, gdy depolaryzacja osiągnie -40 mV (wynika to z ich właściwości prostowniczych, które polegają na zamykaniu kanału pod wpływem odkomórkowego naporu jonów K+. Napór tych jonów rośnie dlatego, że znika równoważące działanie elektrostatycznego przyciągania ujemnego z powodu masowego napływu Na+ ). Zamknięcie kanałów K1 umożliwia powstanie fazy plateau (kanały K1 w komórkach mięśni szkieletowych i nerwowych nie posiadają właściwości prostowniczych, w wyniku czego brak w tych komórkach fazy plateau),
4.Przesunięcie potencjału do wartości dodatnich powoduje przejściową aktywację kanałów Cl-, co wraz z zamknięciem kanałów Na+ odpowiada za powstanie fazy 1- wstępnej repolaryzacji,
5.Powyżej -30 mV- aktywacja kanałów Ca2+ typu L, przez który napływa dokomórkowo dodatni prąd tego jonu,
6.Powyżej -40 mV- aktywacja kanałów potasowych typu K,
7.Dokomórkowy prąd Ca2+ równoważy się z odkomórkowym prądem K+, co powoduje powstanie fazy 2- plateau, jednak aktywacja kanałów K zależy od czasu jaki minął od czasu rozpoczęcia ich aktywacji. Szczyt aktywności osiąga pod koniec fazy plateau. Na skutek stopniowego wygasania Ica, oraz wzrostu aktywności Ik potencjał fazy plateau obniża się, by płynnie przejść w fazę 3- szybkiej repolaryzacji. Dalszy wypływ jonów przez kanały K (inaktywacja też zachodzi powoli) powoduje powstawanie coraz bardziej ujemnego potencjału wnętrza, co zmniejsza napór jonów K+ na kanały K1 (patrz: właściwości prostownicze), co przyśpiesza repolaryzacje do wartości spoczynkowych- faza 4. Potencjał czynnościowy miocytów trwa ok. 300 ms czym znacząco różni się od czasu trwania potencjałów czynnościowych mięśni szkieletowych, który trwa znacznie krócej .
Mechanizm potencjału czynnościowego mięśni układu przewodzącego jest inny niż ten występujący w mięśniach roboczych. Najważniejszą różnicą pomiędzy kardiomiocytami roboczymi a komórkami tkanki bodźcoprzewodzącej polega na niestabilnosci w przypadku tych drugich potencjału spoczynkowego w fazie 4, czyli występowanie tzw. powolnej spoczynkowej depolaryzacji. Mechanizm potencjału czynnościowego wiąże się z powoli wzrastającym dokomórkowym prądem jonów Ca2+, początkowo poprzez uruchomienie przejściowych, a następnie długoutrzymujących się kanałów wapniowych (faza 0) powodujących dokomórkowy prąd jonów Ca2+. Przepuszczalność dla jonów Na+ zmnienia się nieznacznie, w efekcie faza 0 tego potencjału stanowi wynik powolnego dokomórkowego prądu Ca2+. Potencjał czynnościowy trwa krócej niż w komórkach roboczych, brak typowego nadstrzału w fazie 0, a fazy 1 i2 łączą się przechodząc w fazę 3- repolaryzacji, która jest rezultatem szybkiego odkomórkowego prądu jonów K+, spowodowanego wzrostem przepuszczalności i przewodności dla jonów K+. W momencie, gdy odkomórkowy prąd K+ ustaje, wzrasta przepuszczalność dla Ca2+ i cykl zaczyna się od nowa.
3.Pobudliwość mięśnia sercowego na tle potencjału czynnościowego, okresy refrakcji.
Kanały sodowe ulegają inaktywacji w fazie 0 i pozostają w tym stanie aż do czasu kiedy w fazie 3 potencjał błonowy ponownie osiągnie -60 mV. W tym czasie komórka miocytu jest niepobudliwa. Okres całkowitej niepobudliwości nazywamy okresem refrakcji bezwzględnej. W okresie od -60 mV do pełnego powrotu potencjału spoczynkowego coraz większy procent kanałów Na+ kończy swój okres inaktywacji przechodząc w stan gotowości do kolejnej aktywacji. Do pobudzenia miocytu w tym okresie potrzeba bodźca silniejszego niż ten konieczny do zajścia potencjału czynnościowego w okresie spoczynku miocytu. Fazę tę nazywamy okresem refrakcji względnej. Potencjały czynnościowe wywołane w tej fazie charakteryzują się obniżoną amplitudą oraz szybkością narastania. Im krótszy czas upłyną od zakończenia okresu refrakcji bezwzględnej tym te cechy są wyraźniejsze (Traczyk, str. 454, ryc. 17.8). Szybkość ich przewodzenia jest zmniejszona. Najkrótszy czas od fazy 0, po którym można wywołać w pełni przewodzony potencjał, nosi nazwę czynnościowego lub efektywnego okresu refrakcji.
4.Wpływ układu nerwowego, hormonów oraz stężenia jonów wapnia i potasu we krwi na potencjał spoczynkowy i czynnościowy w mięśniu sercowym.
Jony potasu
W różnych stanach chorobowych stosunek stężeń zewnątrz- i wewnątrzkomórkowego K+ może ulec zmianom. Mamy wtedy do czynienia z hiper-, bądź hipopotasemią. W hiperpotasemii (powstałej np. na skutek przewlekłej niewydolności nerek, zespołu zmiażdżenia, dużej hemolizy) mamy do czynienia ze wzrostem zewnątrzkomórkowego stężenia jonów K+. Wobec czego różnica zewnątrz- i wewnątrzkomórkowego K+ maleje, a więc maleje siła jego dyfuzji, co z kolei prowadzi do spadku potencjału generowanego przez tę siłę i równoważącego ją. Dochodzi do częściowej depolaryzacji miocytu. Dochodzi do zwolnienia przewodnictwa impulsów (efekt dromotropowy ujemny) i spadku kurczliwości mięśnia (efekt inotropowy ujemny). W hipopotasemii dochodzi do znacznej utraty ustrojowego K+ (na skutek wymiotów i biegunek, stosowania leków diuretycznych). Zachodzi krótkotrwała hiperpolaryzacja po której następuje postępująca depolaryzacja. Jest to wynikiem wpływem obniżenia zewnątrzkomórkowego stęż. K+ na aktywność Na+,K+,Mg+-ATP-az sarkolemmy, które są aktywowany przez jony K+. W efekcie spadek zewnątrzkomórkowego K+ powoduje, że odkomórkowy czynny transport jonów Na+ nie jest w stanie zrekompensować jego dokomórkowej dyfuzji (zahamowanie działania pompy Na+/K+). Jony Na+ gromadzą się w sarkomerze, kompensując odkomórkowy wypływ jonów K+, przez co zmniejsza się różnica stężeń pomiędzy sarkoplazmą, a środowiskiem zewnątrzkomórkowym, a więc maleje i siła dyfuzji (nastepuje częściowa depolaryzacja). Zwiększenie dokomórkowego napływu Na+ powoduje zmniejszenie wartości gradientu sodowego. Pociąga to za sobą zmniejszenie intensywności odkomórkowego transportu Ca2+, który zachodzi za pomocą antyportu sodowo-wapniowego. Następuje kumulacja Ca2+ w komórce. Depolaryzacja i kumulacja Ca2+ powodują zaburzenia rytmu serca i zaburzenia metaboliczne, które mogą prowadzić do zawału.
Układ nerwowy
W komórkach mięśnia sercowego znajdują się receptory adrenergiczne beta-1, beta-2 i alfa-1 oraz receptory cholinergiczne- M2. Receptory beta-1 i beta-2 są pobudzane przez noradrenalinę, natomiast adrenalina wiąże się raczej z receptorami beta-2. Receptory beta-1 sprzężone są poprzez białka Gs z cyklazą adenylanową. Wiązanie ligandów z tymi receptorami powoduje zwiększenie intensywności cAMP, która aktywuje proteinkinazę A, która fosforyluje białka kanałów wapniowych typu L. Ufosforylowany kanał Ca2+ w toku aktywacji spędza więcej czasu w stanie otwartym, w efekcie czego zwiększa się natężenie całkowitego prądu wapniowego. W komórkach strefy przedsionkowo-węzłowej węzła przedsionkowo-komorowego nasilenie aktywacji kanałów wapniowych zwiększa amplitudę potencjałów czynnościowych komórek tej strefy, co powoduje zwiększenie szybkości przewodzenia stanu czynnego w tej strefie węzła, a tym samym skraca czas przewodzenia przedsionkowo-komorowego- dodatni efekt dromotropowy. Kanały Ca2+ mogą też pobudzone w sposób bezpośredni za pomocą receptorów beta.
Poza opisanymi kanałami potasowymi K1 i K istnieje wiele innych. Do najważniejszych należy zaliczyć kanały K+ acetylocholino- i adenozynozależne. Są one aktywowane przez receptory cholinergiczne M2 (wiążące acetylocholinę) występujące w komórkach węzła zatokowo-przedsionkowego, przedsionkowo-komorowego, oraz w roboczych miocytach przedsionków. Ponadto receptory M2 są sprzężone przez białko Gi z cyklazą adenylanową (powodują jej hamowanie). Pobudzenie nerwów błędnych unerwiających serce, a wydzielających ze swych zakończeń acetylocholinę wywołuje następujące zmiany:
1.Zmniejszenie częstotliwości rytmu zatokowego na skutek zwolnienia spoczynkowej depolaryzacji komórek węzła zatokowo-przedsionkowego- ujemny efekt chronotopowy. Zwolnienie to jest spowodowane zwiększeniem przewodności sarkolemmy dla jonów K+ dzięki aktywacji acetylocholinozależnych kanałów potasowych, na skutek czego odkomórkowy prąd potasowy kompensuje prądy dokomórkowe If i Ica. Silne pobudzenie nerwów błędnych może zahamować spoczynkową depolaryzację (która ustępuje miejsca hiperpolaryzacji), co skutkuje całkowitym zahamowaniem rytmu zatokowego.
2.Zwolnienie lub zablokowanie przewodzenia w strefie przedsionkowo-węzłowej węzła przedsionkowo-komorowego- ujemny efekt dromotropowy. Depolaryzacja komórek przez prąd Ica jest kompensowana przez odkomórkowy prąd Ikach hiperpolaryzujący komórkę. Skutkiem tego jest zmniejszenie amplitudy potencjałów czynnościowych, co pociąga za sobą zwolnienie przewodzenia impulsów stanu czynnego w tej strefie.
Ca2+
wzrost stężenia jonów Ca2+- zwalnia fazę 0
spadek stężenia jonów Ca2+- zwiększa dynamikę fazy 0
II Właściwości kurczliwe mięśnia sercowego.
1. Układy kurczliwe miocytów serca. Sprzężenie elektromechaniczne.
Mięsień sercowy zbudowany jest z miofilamentów podobnych jak w przypadku mięśnia szkieletowego. Składa się więc z sarkomerów utworzonych z prążków anizotropowych(miozynowych) i izotropowych(aktyna + kompleks troponinowo-tropomiozynowy). Granice sarkomeru stanowią linie graniczne Z. Część prążka anizotropowego nie zawierająca fi lamentu miozynowego nosi nazwę prążka H.
Do powstania skurczu mięśnia sercowego niezbędne są jony Ca2+. 75% z nich pochodzi z cystern brzeżnych siateczki sarkoplazmatycznej, natomiast 25% jest pochodzenia zewnątrzkomórkowego.
Stężenie jonów Ca2+ na zewnątrz mięśnia sercowego jest większe (10-4 mol/l) niż w siateczce (10-7).
W wyniku powstania impulsu elektrycznego w układzie bodźcoprzewodzącym dochodzi do otwarcia kanałów wapniowych w sarkolemie miocytu.
Rozpoczyna się napływ jonów Ca2+ do wnętrza miocytu zgodnie z gradientem elektrycznym i chemicznym. Skutkiem tego jest uwalnianie jonów Ca2+ z m.in. cystern brzeżnych siateczki.
Również depolaryzacja kanałów T przyczynia się do uwalniania Ca2+ z cystern brzeżnych.
W następstwie jony Ca2+ łączą się z troponiną C powodując zmiany konformacji kompleksu troponina-tropomiozyna i odblokowanie miejsc wiązania aktyny z miozyną. Prowadzi to do skracania sarkomeru i skurczu mięśnia.
ATP jest źródłem energii do ruchu ślizgowego miofilamentów aktynowych względem miozynowych.
2. Wlaściwości skurczu mięśnia sercowego.
Skurcz mięśnia sercowego jest:
· Wyłącznie pojedynczy.
· Maksymalny w odpowiedzi na bodziec generowany z układu bodźcoprzewodzącego (prawo wszystko albo nic)
· Izotoniczny
· Izowolumetryczny
3. Zależność między siłą bodźca a siłą skurczu serca(Prawo wszystko albo nic)
Prawo „wszystko albo nic” wynika z pobudliwości mięśnia sercowego.
Bodziec podprogowy jakim zadziałamy na mięsień nie spowoduje skutecznego skurczu, z kolei bodziec nadprogowy tak.
W mięśniu sercowym występują pęczki unerwiające. Oznacza to, iż zakończenia tych nerwów nie dochodzą do każdej komórki.
W sercu występują połączenia komunikacyjne (typu neksus), dzięki którym bodziec rozchodzi się do każdej komórki mięśnia.
Skutkiem takiej budowy jest to, iż serce zawsze odpowiada na działanie impulsu elektrycznego o wartości większej niż progowa skurczem maksymalnym.
4. Wpływ objętości krwi w sercu oraz ciśnienia tętniczego krwi na siłę skurczu i objętość wyrzutową serca (obciążenie wstępne i następcze).
W okresie późno rozkurczowym do serca napływa określona porcja krwi. Przedsionki mają ściany bardziej rozciągliwe od komór, toteż są swego rodzaju rezerwuarem krwi dla komór.
Komory natomiast są mniej podatne na rozciąganie, dlatego wraz z napływem krwi do nich wzrasta w nich ciśnienie.
Ciśnienie wypełniania się komory do objętości późnorozkurczowej (150ml) dla prawej komory wynosi 12 mmHg a dla lewej 5 mmHg – jest to obciążenie wstępne, gdyż obciąża serce przed jego skurczem.
Przy podwyższonym ciśnieniu napełniającym komorę do serca dopływa znaczna część krwi, którą serce, zgodnie z prawem Franka-Starllinga, musi przepompować do tętnic. Czynnikiem zwiększającym dopływ żylny jest np. dożylny wlew krwi i płynów krwiozastępczych. Prowadzi to do wzrostu pojemności wyrzutowej serca.
Obciążenie następcze serca – spowodowane jest wzrostem ciśnienia aortalnego, rosnącego pod koniec okresu maksymalnego wyrzutu (od chwili zamknięcia zastawek aorty).
5. Regulacja siły skurczu mięśnia sercowego poprzez wpływ:
a) Na rozkurczową długość mięśnia
Zgodnie z prawem Franka-Starlinga : Energia skurczu jest funkcją wyjściowej długości mięśnia serca.W miarę wzrostu wyjściowej długości miocytów lub stopnia wypełnienia serca krwią w okresie późno rozkurczowym wzrasta energia skurczu, osiągając szczyt przy pewnej optymalnej długości, po której przekroczeniu zmniejsza się.
b) Na kurczliwość mięśnia
Kurczliwość mięśnia sercowego zależy od:
· Zmian siły skurczów
· Zmian prędkości skurczów
· Stopnia skracania włókien miocytów bez zmiany ich długości wyjsciowej
· Czasu trwania skurczu
Na wzrost kurczliwości mięśnia sercowego wpływa wzrost stężenia jonów Ca2+ w sarkoplazmie mięśnia. Jest on spowodowany ich napływem dokomórkowym z zewnątrz oraz uwalnianiem ich z siateczki sarkoplazmatycznej do sarkoplazmy.
6. Praca serca i jej regulacja
Serce wykonuje pracę zewnętrzną i wewnętrzną. Wyrzucając krew do aorty i tętnicy opłucnej każda z komór wykonuje pracę zewnętrzną. Jest ona równa przesunięciu krążka o powierzchni odpowiadającej
powierzchni przekroju poprzecznego aorty lub tętnicy płucnej na drodze równej długości słupa krwi wyrzucanej w czasie skurczu przeciw sile równej ciśnieniu krwi w aorcie lub tętnicy płucnej w czasie wyrzutu. Pomnożenie powierzchni krążka o powierzchni równej powierzchni przekroju naczynia na drodze równej długości wyrzuconego słupa krwirówna się objętości wyrzutowej danej komory. Wobec tego praca zewnętrzna komory Ez = SV x MAP, gdzie SV jest objętością wyrzutową, a MAP jest średnim ciśnieniem krwi w aorcie lub tętnicy płucnej w czasie wyrzutu.
Zanim dojdzie do wyrzutu krwi z komór do tętnic, ich mięsień musi w fazie izowolumetrycznej skurczu wytworzyć napięcie potrzebne do powstania ciśnienia komorowego przewyższającego ciśnienie rozkurczowe w aorcie lub tętnicy płucnej. W tej fazie skurczu mięsień sercowy nie skraca się jako całość, ale skracają się jego sarkomery kosztem rozciągania szeregowych elementów sprężystych. Tak więc sarkomery skracają się na pewnej drodze przeciw napięciu powstającemu w elementach sprężystych, a więc wykonują pracę w sensie fizycznym. Pracę tę nazywa się pracą wewnętrzną serca. Ponieważ nie może się jej mierzyć tak, jak mierzy się pracę zewnętrzną, jej jedynym
miernikiem jest zużycie 02 przez mięsień sercowy.
7. Wpływ układu autonomicznego, hormonów oraz stężenia jonów wapnia i potasu we krwi na kurczliwość i pracę serca.
Pobudzenie części współczulnej układu autonomicznego zwiększa kurczliwość i pracę mięśnia sercowego. Do czynników inotropowych dodatnich należą:
a) Aminy katecholowe pobudzające receptory adrenergiczne Beta
b) Glikozydy nasercowe – blokujące pompę Na/K w błonie kardiomiocytów oraz blokujące wzrost stężenia Ca2+ w płynie zewnątrzkomórkowym
c) Glukagon – aktywujący mechanizm cyklazy adenylanowej-cAMP
d) Glikokortykoidy nadnerczowe, ksantyny(kofeina, teofilina) i papaweryna – hamujące fosfodiesterazę, rozkladającą cAMP do 5’AMP\
Pobudzenie części przywspółczulnej układu autonomicznego zmniejsza kurczliwość i pracę mięśnia sercowego. Do czynników inotropowych ujemnych należą:
a) Acetylocholina –stymulująca receptory muskarynowe M2 oraz aktywność cyklazy guanylanowej(wzrost cGMP )
b) Hipokalcemia – spadek jonów Ca2+ - w płynie zewnątrzkomórkowym.
c) Propranolol – blokujący receptory Beta1
d) Spadek pH – kwasica oraz wzrost pCO2 – hiperkapnia
e) Blokery kanałów Ca2+
f) Blokery esterazy cholinowej (prostygmina) – podnoszące stężenie acetylocholiny w sercu
...
ewaaaa6754