Regulation des Herzschlags

Das regelmäßige Schlagen des Herzens wird durch die inhärente Rhythmik des Herzmuskels erreicht; im Herzen selbst befinden sich keine Nerven, und es sind keine äußeren Regulierungsmechanismen erforderlich, um den Muskel zur rhythmischen Kontraktion anzuregen. Dass diese rhythmischen Kontraktionen ihren Ursprung im Herzmuskel haben, lässt sich durch die Beobachtung der Herzentwicklung im Embryo belegen (siehe oben); die Herzpulsationen beginnen vor der ausreichenden Entwicklung der Nervenfasern. Darüber hinaus lässt sich im Labor nachweisen, dass selbst Fragmente des Herzmuskels in Gewebekultur weiterhin rhythmisch kontrahieren. Außerdem gibt es keine Abstufung im Grad der Kontraktion der Muskelfasern des Herzens, wie es zu erwarten wäre, wenn sie primär unter nervlicher Kontrolle stünden.

Der bloße Besitz dieser intrinsischen Fähigkeit reicht jedoch nicht aus, um das Herz effizient arbeiten zu lassen. Die richtige Funktion erfordert Koordination, die durch ein ausgeklügeltes Leitungssystem innerhalb des Herzens aufrechterhalten wird, das in erster Linie aus zwei kleinen, spezialisierten Gewebemassen oder Knoten besteht, von denen Impulse ausgehen, sowie aus nervenähnlichen Leitungen für die Übertragung von Impulsen, deren Endverzweigungen sich bis zur Innenfläche der Herzkammern erstrecken.

Rhythmische Herzkontraktionen haben ihren Ursprung in einem elektrischen Impuls, der vom oberen Teil des Herzens in den Vorhöfen zum unteren Teil des Herzens in den Herzkammern wandert. Der Impuls breitet sich als Welle aus, die von Zelle zu Zelle wandert. Spannungsempfindliche Proteinkanäle auf der Oberfläche des Sarkolemmas, der Membran, die die Muskelfaser umgibt, unterstützen den Stromfluss in Bezug auf den Fluss bestimmter Ionen (ionenspezifische Kanäle). Diese spannungsempfindlichen Kanäle öffnen und schließen sich in Abhängigkeit von der Spannung, die auf der Außenseite und der Innenseite des Sarkolemmas, zwischen denen ein Unterschied im elektrischen Potenzial besteht, gemessen wird (man spricht von „über die Membran“ oder Transmembran). Ein elektrischer Potenzialgradient entsteht durch einen Überschuss an negativen Ionen unmittelbar innerhalb des Sarkolemmas und einen gleich großen Überschuss an positiven Ionen an der Außenseite des Sarkolemmas (ein Stadium, das als Ruhepotenzial bezeichnet wird). Wenn ein Nervenimpuls die Ionenkanäle zum Öffnen anregt, strömen positive Ionen in die Zelle und verursachen eine Depolarisation, die zur Kontraktion der Muskelzelle führt.

Unter Ruhebedingungen ist die Herzzelle hauptsächlich nur für positiv geladene Kaliumionen durchlässig, die langsam in die Zelle eindringen. In spezialisierten schrittmachenden Zellen, wie sie im Sinusknoten zu finden sind, driftet das negative Ruhepotential rhythmisch in Richtung des positiven Schwellenpotentials. Bei Überschreiten des Schwellenpotentials wird eine Depolarisation der Zelle ausgelöst, und es kommt zur Öffnung von Ionenkanälen, die Natrium und Kalzium in die Zelle transportieren. Dieser plötzliche Anstieg des Membranpotenzials des Herzens wird von Zelle zu Zelle übertragen und erzeugt eine Depolarisationswelle, die funktionell das Erregungssignal des Herzens darstellt. Die Ausbreitung des Signals erfolgt rasch über spezialisierte Vorhofzellen, den atrioventrikulären Knoten und die His- und Purkinje-Zellbündel im Erregungsgewebe, gefolgt von einer langsameren Ausbreitung des Signals in den ventrikulären Muskelzellen. Die Geschwindigkeit der spontanen Depolarisation ist eine wichtige Determinante der Herzfrequenz.

Sowohl die Erregungs- als auch die Ausbreitungsmechanismen reagieren empfindlich auf Veränderungen der Ionenkonzentration in der extrazellulären und intrazellulären Flüssigkeit sowie auf Medikamente, die die mit diesen Ionen assoziierten Carrier oder Kanäle verändern könnten. Nach dem anfänglichen Depolarisationsereignis in Herzmuskelzellen kommt es zu einer Abfolge von Öffnungen und Schließungen spezifischer Kanäle, die schließlich zu einer Rückkehr zum transmembranen Ruhepotential führen. Dieses hochgradig orchestrierte Zusammenspiel verschiedener spannungsempfindlicher Kanäle und die daraus resultierenden Änderungen der Transmembranspannung werden als kardiales Aktionspotenzial bezeichnet.

Das Depolarisationsereignis in der Herzmuskelzelle öffnet auch einen Kalziumkanal, wodurch Kalzium in das Myokard eindringen kann. Kalzium ist ein wichtiger Effektor der Kopplung zwischen Herzdepolarisation (Erregung) und Herzkontraktion (so genannte „Erregungs-Kontraktions-Kopplung“). Unter normalen Umständen ist die Konzentration freier Kalziumionen in der Herzmuskelzelle sehr niedrig. Diese niedrige Konzentration wird durch ein internes Membransystem, das so genannte sarkoplasmatische Retikulum, aufrechterhalten, das Kalziumionen zurückhält. Bei Erregung und Depolarisation der Zelle öffnet sich der Kalziumkanal und lässt eine kleine Menge Kalzium ein, die mit der Verschiebung des Membranpotenzials einhergeht. Diese geringe Menge an Kalzium stimuliert die Freisetzung von zusätzlichem Kalzium aus kalziumempfindlichen Kanälen im sarkoplasmatischen Retikulum, wodurch die zelluläre Kalziumkonzentration um das fast 100-fache ansteigt. Wenn das Herz repolarisiert ist, nimmt das sarkoplasmatische Retikulum das überschüssige Kalzium wieder auf, und die zelluläre Kalziumkonzentration kehrt auf ihren zuvor niedrigen Wert zurück, so dass sich der Herzmuskel entspannen kann.

Die Wiederaufnahme von zellulärem Kalzium durch das sarkoplasmatische Retikulum ist wichtig, weil sie die Entwicklung von Muskelspannung verhindert. Im Ruhezustand binden zwei Proteine, Troponin und Tropomyosin, an Aktinmoleküle und hemmen die Interaktion zwischen Aktin und Myosin, wodurch die Muskelkontraktion blockiert wird. Wenn die Kalziumkonzentration während der Depolarisation ansteigt, verschiebt sich die Konformation von Troponin und Tropomyosin, und Aktin kann sich mit Myosin verbinden. Wenn Kalzium wieder vom sarkoplasmatischen Retikulum aufgenommen wird, entspannt sich die Herzmuskelzelle. Faktoren, die den Anstieg und Abfall der Kalziumkonzentration in der Herzmuskelzelle steuern, haben tiefgreifende Auswirkungen auf die Herzfunktion.