Regulering af hjerteslag

Hjertets regelmæssige slag opnås som følge af hjertemusklens iboende rytmiskhed; der er ingen nerver i selve hjertet, og der er ingen ydre reguleringsmekanismer nødvendige for at stimulere musklen til at trække sig rytmisk sammen. At disse rytmiske sammentrækninger stammer fra hjertemusklen kan dokumenteres ved at observere hjertets udvikling hos embryoet (se ovenfor); hjertepulseringen begynder, før der er tilstrækkelig udvikling af nervefibre. Desuden kan det i laboratoriet påvises, at selv fragmenter af hjertemusklen i vævskultur fortsat trækker sig rytmisk sammen. Desuden er der ingen graduering i graden af sammentrækning af hjertets muskelfibre, som man ville forvente, hvis de primært var under nervel kontrol.

Den blotte besiddelse af denne iboende evne er imidlertid ikke tilstrækkelig til at gøre hjertet i stand til at fungere effektivt. En korrekt funktion kræver koordination, som opretholdes af et udførligt ledelsessystem i hjertet, der primært består af to små, specialiserede vævsmasser eller knuder, hvorfra impulserne stammer, og af nervelignende ledninger til overførsel af impulserne, med endeforgreninger, der strækker sig til hjertekamrenes indre overflade.

Rytmiske hjertesammentrækninger har deres oprindelse i en elektrisk impuls, der bevæger sig fra toppen af hjertet i forkamrene til bunden af hjertet i ventriklerne. Impulsen forplanter sig som en bølge, der bevæger sig fra celle til celle. Spændingsfølsomme proteinkanaler på overfladen af sarkolemmaet, den membran, der omgiver muskelfibrene, understøtter strømmen i forhold til strømmen af specifikke ioner (ionspecifikke kanaler). Disse spændingsfølsomme kanaler åbner og lukker som funktion af den spænding, der registreres på den ydre side og den indre side (kaldet “på tværs af membranen” eller transmembranen) af sarcolemma, mellem hvilke der er en forskel i elektrisk potentiale. En elektrisk potentialgradient skabes af et overskud af negative ioner umiddelbart inde i sarcolemmaet og et lige så stort overskud af positive ioner på ydersiden af sarcolemmaet (et stadium, der kaldes hvilepotentialet). Når en nerveimpuls stimulerer ionkanaler til at åbne, strømmer positive ioner ind i cellen og forårsager depolarisering, hvilket fører til muskelcellens sammentrækning.

Under hvilebetingelser er hjertecellen primært kun permeabel for positivt ladede kaliumioner, som langsomt lækker ind i cellen. I specialiserede pacemaking-celler, som findes i sinoatrialknuden, driver det negative hvilepotentiale rytmisk mod det positive tærskelpotentiale. Når tærskelpotentialet overskrides, udløses en depolarisering af cellen, og der åbnes ionkanaler, som transporterer natrium og calcium ind i cellen. Denne pludselige stigning i hjertemembranpotentialet overføres fra celle til celle og skaber en bølge af depolarisering, som funktionelt set repræsenterer hjertets excitationssignal. Udbredelsen af signalet går hurtigt ned gennem ledningsvævet via specialiserede atrieceller, den atrioventrikulære knude og bundterne af His- og Purkinjeceller og efterfølges af en langsommere spredning af signalet i ventrikulære muskelceller. Hastigheden af spontan depolarisering er en vigtig determinant for hjerterytmen.

Både excitations- og propagationsmekanismerne er følsomme over for ændringer i ionkoncentrationen i den ekstracellulære og intracellulære væske samt lægemidler, der kan ændre de bærere eller kanaler, der er forbundet med disse ioner. Efter den indledende depolarisationsbegivenhed i hjertemuskelceller er der en sekvens af åbninger og lukninger af specifikke kanaler, som i sidste ende resulterer i en tilbagevenden til det hvilende transmembranpotentiale. Dette stærkt orkestrerede samspil mellem forskellige spændingsfølsomme kanaler og de deraf følgende ændringer i transmembranspændingen kaldes hjertets aktionspotentiale.

Depolarisationshændelsen i hjertemuskelcellen åbner også en calciumkanal, hvorved calcium kan trænge ind i myokardiet. Calcium er en vigtig effektor i koblingen mellem hjertets depolarisering (excitation) og hjertets sammentrækning (kaldet “excitation-kontraktionskobling”). Under normale omstændigheder er koncentrationen af frie calciumioner i hjertemuskelcellen meget lav. Denne lave koncentration opretholdes af tilstedeværelsen af et internt membransystem kaldet det sarkoplasmatiske retikulum, der opsamler calciumioner. Ved excitering og depolarisering af cellen åbner calciumkanalen og lukker en lille mængde calcium ind i forbindelse med forskydningen i membranpotentialet. Denne lille mængde calcium stimulerer frigivelsen af yderligere calcium fra calciumfølsomme kanaler i det sarkoplasmatiske retikulum, hvilket får den cellulære calciumkoncentration til at stige næsten 100-dobbelt. Når hjertet repolariseres, reabsorberer det sarkoplasmatiske retikulum det overskydende calcium, og den cellulære calciumkoncentration vender tilbage til det tidligere lave niveau, hvorved hjertemusklen kan slappe af.

Reabsorption af cellulært calcium af det sarkoplasmatiske retikulum er vigtig, fordi den forhindrer udvikling af muskelspændinger. I hviletilstand binder to proteiner, troponin og tropomyosin, sig til aktinmolekyler og hæmmer interaktionen mellem aktin og myosin, hvorved muskelkontraktion blokeres. Når calciumkoncentrationen stiger under depolarisering, skifter troponin- og tropomyosin-konformationen, og actin er i stand til at forbinde sig med myosin. Når calcium igen optages af det sarkoplasmatiske retikulum, slapper myokardiecellen af. Faktorer, der styrer stigningen og faldet i calciumkoncentrationerne i hjertemuskelcellen, har dybtgående virkninger på hjertets funktion.