Herzphysiologie

Kontraktion & Sauerstoffversorgung

• Herzmuskel braucht ständige ausreichende Versorgung mit Sauerstoff
• ungenügende Durchblutung = schnelle Abnahme der Kontraktionskraft
• Coronardurchblutung
  -> in Ruhe 5% des HMV
  -> bei Belastung das 4-6fache
• Coronarreserve 
  = Differenz zwischen maximal möglicher Coronardurchblutung und Ruhedurchblutung der Coronargefäße

Coronardurchblutung (Coronarperfusion)

-> hängt ab von Herzschlagfrequenz, arteriellem Druck, nervösen & metabolischen Faktoren
-> lokale & endothele Faktoren (H⁺, K⁺, CO₂ / NO, PGI₂)
-> Hormone (Catecholamine, Angiotensin II)
-> Neurotransmitter (Noradrenalin, Acetylcholin)

• bei Abnahme P_O2 Bildung von Mediatoren, die Vasodilatation bewirken -> verbesserte Coronardurchblutung
  -> Herzmuskel passt Durchblutung dem Bedarf an: Autoregulation
• linker Ventrikel: ausreichender Blutfluss nur während Diastole
  -> sonst Druck zu hoch durch zusammendrücken der Gefäße
• Sauerstoffbedarf Herz
  -> in Ruhe 10-15% des gesamten Körperbedarf
  -> in Belastung um 5faches erhöht

Energiestoffwechsel Myocard

• fast ausschließlich aerob 
• 60-70% des Energiebedarfs für Kontraktionen
  -> Rest auf Strukturerhaltung und Vorgänge für Ionenpumpen
• Substrate Energieprodukion
  - 40% Fettsäuren & Triacylglyceride
  - 30& Glucose
  - 20% Lactat
  - 10% Ketonkörper, Pyruvat, Aminosäuren
• Herzmuskel kann wenig ATP speichern
  -> bei Block der oxidativen Phosphorylierung nach 10s aufgebraucht
  -> oxidative P. = Hauptbildungsart für ATP im Herz (>95%, Rest Glykolyse und GTP Bildung CItratzyklus)
• bei körperlicher Arbeit bis zu 60% aus Lactat
• wenn Sauerstoffangebot kleiner, dann entsteht aus Pyruvat Lactat
  -> Abgabe von Lactat statt Verbrauch
  -> erhöhte Lactat Konzentration = Indikator Myocardhypoxie

bathmotrop

= beeinflusst die Reizschwelle und damit Erregbarkeit des Herzens

-> positiv bathmotrop = Reizschwelle wird gesenkt
-> negativ bathmotrop = Reizschwelle wird erhöht

Neurotransmitter & Herzschlagfrequenz

1. Noradrenalin - Sympathicus

• Noradrenalin bindet an ß1-adrenerge Rezeptoren
• über 2nd Messenger Weg Einfluss auf Na⁺ Einstrom
  -> G_s Protein -> Adenylatcyclase -> cAMP -> Proteinkinase
• Beschleunigung Na⁺ Einstrom durch HCN Kanäle während Präpotenzial
• Erhöhung Herzschlagfrequenz
  = positiv chronotrope Wirkung
• gleiche Wirkung durch Adrenalin aus NNR

2. Acetylcholin - Parasympathicus

• Acetylcholin bindet an muscarinerge M₂ Rezeptoren
• führt zu vermindertem Na⁺ Einstrom über HCN Kanäle
  -> Ca²⁺ Einstrom wird verlangsamt
  -> K⁺ Auswärtsstrom wird erhöht
• Anstieg Präpotential verläuft flacher -> Schwelle wird später erreicht
• Erniedrigung Herzschlagfrequenz
  = negativ chronotrope Wirkung

-> in Ruhe überwiegt Vagustonus (Parasympathicus), bei körperlicher Arbeit überwiegt Sympaticuseinfluss

Sympathicus Herzmuskelzellen

• wirkt über Noradrenalin an ß-adrenerge Rezeptoren
  -> befinden sich in allen Herzmuskelzellen
  -> gleiche Erregung durch Noradrenalin & Adrenalin aus NNR
• führt zu höheren & kürzeren APs, die kräftigere & schnellere Kontraktionen erzeugen
• Aktivierung ß₁-Rezeptoren
  - vermehrte Öffnung von Ca²⁺Kanälen in Plateauphase = verstärkter Einstrom von Ca²⁺ in Zelle
  -> stärkere Depolarisation
• stärkere Depolarisation führt zu schnellerem Reopening der K⁺ Kanäle
  -> Beschleunigung Repolarisation + Verkürzen AP
• durch ß-Rezeptoraktivierung auch vermehrte Freisetzung von Ca²⁺ aus SR

Herzmuskelzellen Parasympathicus

• wirkt an Sinusknoten, AV-Knoten und Vorhofmuskulatur
• über Acetylcholin, das an M₂ muscarinerge Rezeptoren bindet
  -> Sinusknoten: vermindert HF
  -> AV Knoten: verlangsamt Überleitung
  -> Vorhofmuskulatur: vermindert Schlagkraft
• Ventrikelbereich
  -> geringe Bedeutung, da wenig parasympatische Nervenfasern (N. vagus)
• kann Ausschüttung von Noradrenalin hemmen
  -> über M₂ Rezeptoren an sympathischen Fasern
  -> präsynaptische Hemmung

Atriales natriuretisches Peptid

• durch Vorhöfe bei Volumenbelastung und entsprechender Dehnung sezerniert
• Dämpfung Sympathikustonus
• Hemmung RAAS
• Reduktion renale Na⁺ Resorption
  -> Diurese steigernde Wirkung

Was ist die elektromechanische Kopplung?

= Umsetzung an Muskelzelle ankommenden elektrischen Impulses (Aktionspotential) in mechanische Aktion (Kontraktion)

Aktionspotential am Herz

• deutlich länger als AP von Skelettmuskulatur (200-400ms : bis 5ms)
  -> durch veränderte Leitfähigkeitsverläufen der Zellemembran für Na, K und Ca
• Ca²⁺ Kanäle
  - auch Dihydropyridinrezeptor, entspricht L-Typ Ca²⁺ der Schrittmacherzellen
  - Schwellenpotential -40mV
• Ablauf RP & AP
  1. RP von ca -90mV: K⁺ Kanäle geöffnet, Na²⁺ & Ca²⁺ geschlossen
  2. Depolarisation der Herzmuskelzelle bis Schwellenpotential
  - schlagartige Öffnung der spannungsabhänigen Na⁺ Kanäle
  - schneller Einstrom Na⁺: Ladungsumkehr an der Membran
  - schnelle Inaktivierung der Na Kanäle
  3. Repolarisation der Membran
  - kurzzeitige Öffnung K⁺ Kanäle: Auswärtsstrom K⁺ 
  4. Unterbrechung der Repolarisation
  - Besonderheit Herzmuskelzelle
  - Entstehung flach abfallendes Plateau (ca 200ms)
  -> durch Schließen von K Kanälen + Absinken K Leitfähigkeit der Membran
  -> außerdem Öffnen vieler Ca²⁺ Kanäle + Anstieg Ca Leitfähigkeit: Einstrom Ca
  ->> durch Ca Einstrom und K Ausstrom lange Depolarisation
  5. Reopening K Kanäle & Schließen Ca Kanäle
  6. Repolarisation
  7. Einstellung RP

Calcium-induzierte Calciumfreisetzung

• grds: Calcium Kanäle in Sarkolemm (Zellmembran) der Cardiomyocyten = L-Kanäle
  -> L = long lasting, d.h. lang anhaltender/langsam inaktivierbarer Strom
• Schwellenpotential Ca Kanäle = - 40mV
• Ca strömt während Plateauphase in Muskelzelle ein = Auffülleffekt Ca
  -> Triggereffekt: löst Ca Freisetzung aus SR über Ryanodinrezeptoren
  -> 90% des für Kontraktion notwenidgen Ca aus SR

= Calcium-induzierte Calciumfreisetzung

Ist das Herz tetanisierbar?

Tetanische Kontraktion = Dauerpolarisation der motorischen Endplatte/andauernde Verkürzung des Muskels durch schnell aufeinanderfolgende AP

• Inaktivierung der Na⁺ Kanäle am Peak des Herzmuskel APs (erste Spitze)
  -> solange inaktiviert kein neues AP möglich
• Umwandlung Na Kanäle erst kurz vor Erreichen RP
  -> bis dahin Herzmuskel refraktär
• notwendig, damit kein zweites AP bevor erstes nicht abgeschlossen ist
  -> ermöglicht Relaxation und Füllung
• dadurch nur Einzelkontraktionen möglich, keine Superposition (2 AP verschmelzen) oder Tetanisierung möglich
• vgl. absolute und relative Refraktärzeit
• atriale AP = kürzer als ventrikuläre AP
  -> Ca²⁺ Kanäle kürzer geöffnet + K⁺ Kanäle kürzer geschlossen
  -> kein deutliches Plateau
  -> kürzere Refraktärzeit

Autorhythmie des Herzens (Funny Channels, Präpotential,..)

Präpotential = spontane Depolarisation des Sinusknoten (der Schrittmacherzellen)

• können eigenständiges AP ausbilden, brauchen keinen Reiz von außen = Autorhythmie des Herzens
• Schrittmacherzellen haben kein stabiles RP 
  -> nach jeder Repolarisation sofort wieder Depolarisation
  -> Grund: HCN Kanäle (funny channels)
• statt Na⁺ Kanäle spannungsabhängige Kationenkanäle = HCN Kanäle
  -> Kationen von außen nach innen
  -> v.a. Na⁺ wegen nach innen gerichtetem chem. Gradienten
  -> führt zu langsamer, spontaner Depolarisation
• kurz vor Erreichen des Schwellenwerts Öffnung von T-Typ-Calcium-Kanälen
  -> wird schon bei -50mV aktiv
  -> dadurch schnelleres Erreichen des Schwellenwerts 
• bei Erreichen Schwellenwert Öffnung L-Typ-Calcium-Kanäle
  -> Anstieg AP
  -> schließen nach Erreichen des Peaks

Einfluss vegetatives Nervensystem 

• Sympathicus 
  - Steigerung Überleitungsgeschwindigkeit (positiv dromotrop)
  - Verkürzung Refraktärzeit ( Anpassung an gesteigerte HF)
  - schnellere Depolarisation (Erhöhung Frequenz sek. Schrittmacher)
• Paraympathicus
  - Abnahme Überleitungsgeschwindigkeit (negativ dromotrop)
  - verlängerte Refraktärzeit
  - Verminderung Frequenz sek. Schrittmacher

Verhältnis Schrittmacher

1. Sinusknoten, 0,5 m/s

• primärer Schrittmacher
• 60-80/min

2. AV-Knoten, 0,5 m/s

• sekundärer Schrittmacher
• deutlich verlängerte Überleitungszeit 
  -> koordinierte Kontraktion der Vorhöfe vor den Kammern
  -> verzögert Erregung um 60-120ms
  -> Frequenzsieb: erhöht schnelle Vorfhofkontraktionen (Vorhofflimmern) werden nicht auf Ventrikel übertragen
• 40-50/min

3. His-Bündel, 2-4 m/s

• tertiärer Schrittmacher
• Back-up für AV Knoten
• 30-40/min

4. Tawara-Schenkel & Purkinje Fasern

• Erregungsübertragung auf Myokard
• lange Refraktärzeit
  -> verhindert Zurücklaufen des AP

Was ist das Grundprinzip eines EKG?

• Aufzeichnung von elektrischer Spannung (y-Achse, oben) zwischen Kardiomyozyten über einen Zeitraum (x-Achse, unten)
• durch Erregungsausbreitung und -rückbildung unterschiedliche Ionenverteilung in verschiedenen Bereichen
  -> Entstehung Potentialdifferenzen (Differenz von Spannungen)
  -> kann gemessen und im EKG dargestellt werden
• Messung der Spannung zwischen zwei oder mehr angelegten Elektroden
• Messung der Spannung in eine bestimmte Richtung, da vektorielle Größe
• verschiedene Ableitungen möglich
  -> bipolar und unipolar

Wie unterscheiden sich bipolare und unipolare Ableitung?

1. bipolar = Ableitung zwischen einer differenter und einer indifferenter Elektrode
   - different = spannungmessend
   - indifferent = als Referenz dienend
   -> Messung Spannung zwischen je einer Elektrode auf linkem und rechtem Arm
2. unipolar = Ableitung zwischen einer differenten und mehreren als Referenz dienenden indifferenten Elektroden (Zusammenschaltung)
   -> Messung Spannung zwischen einer Elektrode auf linkem Arm und allen zusammengeschalteten Elektroden auf Arm und Bein

Wo liegen die einzelnen Schrittmacherzellen?

Was ist ein elektrischer Dipol?

= zwei ungleiche Ladungen in einem Abstand x voneinander bilden einen elektrischen Dipol

-> hat eine Stärke + Richtung = Vektor

-> Summationsvektor = mehrere Vektoren addiert

Potentialdifferenz Membran

• ruhende Myokardzelle ist polarisiert
  = Spannung zw. Außen- & Innenseite, da unterschiedlich geladen
  -> innen negativ, außen positiv
• Ladungsumkehr während Depolarisation
  -> innen positiv, außen negativ
  -> durch Einstrom von Kationen
• Potentialdifferenz auch zwischen erregten und unerregten Zellen
  -> elektrischer Strom fließt vom erregten zum unerregten Myokard

links = Zelle in Ruhe, rechts = erregte Zelle -> RP

-> bei EKG Betrachtung einer Myokardfaser (besteht aus zahlreichen Myokardzellen) mit extrazellulär vorhandenen Ladungsunterschieden (manche Bereiche schon erregt, andere noch nicht)

Strom fließt von erregten (links, außen negativ) zum unerregten Bereich (recht, außen positiv)

-> Messung der Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden
-> positiver Ausschlag, wenn Erregung sich auf Elektrode hinbewegt
-> negativer Ausschlag, wenn Erregung sich von Elektrode wegbewegt