A szívverés szabályozása

A szív szabályos dobogása a szívizom eredendő ritmikusságának eredményeként jön létre; magában a szívben nincsenek idegek, és nincs szükség külső szabályozó mechanizmusokra ahhoz, hogy az izmot ritmikus összehúzódásra serkentsék. Azt, hogy ezek a ritmikus összehúzódások a szívizomból erednek, a szív fejlődésének megfigyelésével lehet alátámasztani az embrióban (lásd fentebb); a szív pulzálása az idegrostok megfelelő fejlődése előtt kezdődik. Ezenkívül laboratóriumban kimutatható, hogy még szövettenyészetben lévő szívizomdarabkák is folytatják a ritmikus összehúzódást. Ráadásul a szív izomrostjainak összehúzódási fokában nincs fokozatosság, ahogyan az várható lenne, ha azok elsősorban idegi irányítás alatt állnának.

A szív ezen eredendő képességének puszta megléte azonban nem elegendő ahhoz, hogy a szív hatékonyan működjön. A megfelelő működéshez koordinációra van szükség, amelyet a szíven belül egy bonyolult vezetőrendszer tart fenn, amely elsősorban két kis, specializált szövettömegből vagy csomópontból áll, amelyekből az impulzusok erednek, valamint az impulzusok továbbítására szolgáló idegszerű vezetékekből, amelyek végágai a kamrák belső felszínére nyúlnak.

A ritmikus szívösszehúzódások egy elektromos impulzusból erednek, amely a szív felső részéből a pitvarokból a szív alsó részébe a kamrákba jut. Az impulzus hullámként terjed, amely sejtről sejtre halad. A szarkolemma, az izomrostot körülvevő membrán felszínén lévő feszültségérzékeny fehérjecsatornák támogatják az áram áramlást, mivel az bizonyos ionok áramlásához kapcsolódik (ion-specifikus csatornák). Ezek a feszültségérzékeny csatornák a szarkolemma külső és belső oldalán érzékelt feszültség függvényében nyílnak és záródnak (az úgynevezett “membránon átívelő” vagy transzmembrán), amelyek között elektromos potenciálkülönbség van. Az elektromos potenciálgradienst a közvetlenül a szarkolemma belsejében lévő negatív ionok többlete és a szarkolemma külső oldalán lévő pozitív ionok ugyanilyen mértékű többlete hozza létre (ez a nyugalmi potenciálként ismert állapot). Amikor egy idegimpulzus az ioncsatornák megnyílását stimulálja, pozitív ionok áramlanak a sejtbe, és depolarizációt okoznak, ami az izomsejt összehúzódásához vezet.

Nyugalmi állapotban a szívsejt elsősorban csak a pozitív töltésű káliumionok számára áteresztő, amelyek lassan szivárognak a sejtbe. A speciális pacemaker sejtekben, amelyek a szinuszcsomóban találhatók, a negatív nyugalmi potenciál ritmikusan a pozitív küszöbpotenciál felé sodródik. A küszöbpotenciál túllépésekor a sejt depolarizációja beindul, és megnyílnak az ioncsatornák, amelyek nátriumot és kalciumot szállítanak a sejtbe. A szívmembránpotenciálnak ez a hirtelen emelkedése sejtről sejtre terjed, létrehozva egy depolarizációs hullámot, amely funkcionálisan a szív gerjesztő jelét jelenti. A jel terjedése gyorsan halad lefelé a vezetési szövetben a speciális pitvari sejteken, a pitvari-kamrai csomóponton, valamint a His- és Purkinje-sejtek kötegein keresztül, majd a jel lassabb terjedése követi a kamrai izomsejtekben. A spontán depolarizáció sebessége a szívfrekvencia fontos meghatározója.

A gerjesztési és terjedési mechanizmusok egyaránt érzékenyek az extracelluláris és intracelluláris folyadék ionkoncentrációjának változásaira, valamint azokra a gyógyszerekre, amelyek megváltoztathatják az ezen ionokhoz kapcsolódó hordozókat vagy csatornákat. A szívizomsejtekben a kezdeti depolarizációs eseményt követően a specifikus csatornák megnyílásainak és záródásainak sorozata következik, amelyek végül a nyugalmi transzmembránpotenciálhoz való visszatérést eredményezik. A különböző feszültségérzékeny csatornáknak ezt az erősen összehangolt kölcsönhatását és a transzmembránfeszültség ebből eredő változásait nevezzük szívakciós potenciálnak.

A szívizomsejtben bekövetkező depolarizációs esemény egy kalciumcsatornát is megnyit, lehetővé téve a kalcium bejutását a szívizomzatba. A kalcium a szív depolarizációja (gerjesztés) és a szív összehúzódása közötti kapcsolat (az úgynevezett “gerjesztés-összehúzódás kapcsolás”) fontos effektora. Normál körülmények között a szabad kalciumion-koncentráció a szívizomsejtben nagyon alacsony. Ezt az alacsony koncentrációt a szarkoplazmatikus retikulumnak nevezett belső membránrendszer tartja fenn, amely elkülöníti a kalciumionokat. A sejt gerjesztésekor és depolarizációjakor a kalciumcsatorna megnyílik, és a membránpotenciál eltolódásához kapcsolódóan kis mennyiségű kalciumot enged be. Ez a kis mennyiségű kalcium további kalcium felszabadulását serkenti a szarkoplazmatikus retikulum kalciumérzékeny csatornáiból, ami a sejt kalciumkoncentrációjának közel százszorosára emelkedését okozza. Amikor a szív repolarizálódik, a szarkoplazmatikus retikulum visszaszívja a felesleges kalciumot, és a celluláris kalciumkoncentráció visszatér a korábbi alacsony szintre, így a szívizom ellazulhat.

A celluláris kalcium szarkoplazmatikus retikulum általi visszaszívása azért fontos, mert megakadályozza az izomfeszülés kialakulását. Nyugalmi állapotban két fehérje, a troponin és a tropomiozin kötődik az aktin molekulákhoz, és gátolja az aktin és a miozin közötti kölcsönhatást, ezáltal gátolja az izomösszehúzódást. Amikor a kalciumkoncentráció a depolarizáció során megnő, eltolja a troponin és a tropomiozin konformációját, és az aktin képes társulni a miozinnal. Ahogy a kalciumot a szarkoplazmatikus retikulum újra felveszi, a szívizomsejt ellazul. A szívizomsejtben a kalciumkoncentráció emelkedését és csökkenését szabályozó tényezőknek mélyreható hatásuk van a szívműködésre.