Regulatie van de hartslag

Het regelmatig kloppen van het hart wordt bereikt als gevolg van de inherente ritmiek van de hartspier; er bevinden zich geen zenuwen in het hart zelf en er zijn geen regulerende mechanismen van buitenaf nodig om de spier te stimuleren ritmisch samen te trekken. Dat deze ritmische samentrekkingen hun oorsprong vinden in de hartspier kan worden gestaafd door de hartontwikkeling in het embryo te observeren (zie hierboven); de hartpulsaties beginnen voordat de zenuwvezels voldoende ontwikkeld zijn. Bovendien kan in het laboratorium worden aangetoond dat zelfs fragmenten van hartspieren in weefselkweek ritmisch blijven samentrekken. Bovendien is er geen gradatie in de mate van samentrekking van de spiervezels van het hart, zoals zou worden verwacht indien zij hoofdzakelijk onder zenuwcontrole zouden staan.

Het loutere bezit van dit intrinsieke vermogen is echter niet voldoende om het hart in staat te stellen efficiënt te functioneren. Een goede werking vereist coördinatie, die in stand wordt gehouden door een uitgebreid geleidingssysteem binnen het hart, dat hoofdzakelijk bestaat uit twee kleine, gespecialiseerde weefselmassa’s, of knooppunten, van waaruit impulsen uitgaan, en uit zenuwachtige leidingen voor de overdracht van impulsen, met eindtakken die zich uitstrekken naar de binnenzijde van de hartkamers.

Ritmische hartcontracties vinden hun oorsprong in een elektrische impuls die van de top van het hart in de boezems naar de onderkant van het hart in de hartkamers gaat. De impuls wordt voortgeplant als een golf die van cel naar cel gaat. Spanningsgevoelige eiwitkanalen aan het oppervlak van het sarcolemma, het membraan dat de spiervezel omgeeft, ondersteunen de stroom in relatie tot de stroom van specifieke ionen (ion-specifieke kanalen). Deze spanningsgevoelige kanalen openen en sluiten zich als functie van de spanning die wordt waargenomen aan de buiten- en binnenzijde (aangeduid als “over het membraan heen”, of transmembraan) van het sarcolemma, waartussen een verschil in elektrisch potentiaal bestaat. Een elektrische potentiaalgradiënt ontstaat door een overmaat aan negatieve ionen onmiddellijk binnen het sarcolemma en een even grote overmaat aan positieve ionen aan de buitenzijde van het sarcolemma (een stadium dat bekend staat als de rustpotentiaal). Wanneer een zenuwimpuls ionenkanalen stimuleert om te openen, stromen positieve ionen de cel binnen en veroorzaken depolarisatie, hetgeen leidt tot samentrekking van de spiercel.

Onder rusttoestand is de hartcel in de eerste plaats alleen doorlaatbaar voor positief geladen kaliumionen, die langzaam de cel binnenlekken. In gespecialiseerde pacemakende cellen, die worden aangetroffen in de sinoatriale knoop, beweegt de negatieve rustpotentiaal zich ritmisch in de richting van de positieve drempelpotentiaal. Wanneer de drempelpotentiaal wordt overschreden, wordt depolarisatie van de cel teweeggebracht en openen zich ionenkanalen die natrium en calcium in de cel transporteren. Deze plotselinge stijging van het membraanpotentiaal van het hart wordt van cel tot cel doorgegeven, waardoor een depolarisatiegolf ontstaat die functioneel het excitatiesignaal van het hart vertegenwoordigt. De voortplanting van het signaal verloopt snel door het geleidingsweefsel via gespecialiseerde atriumcellen, de atrioventriculaire knoop, en de bundels His- en Purkinje-cellen en wordt gevolgd door een langzamere verspreiding van het signaal in ventriculaire spiercellen. De snelheid van spontane depolarisatie is een belangrijke determinant van de hartfrequentie.

Zowel de excitatie- als de voortplantingsmechanismen zijn gevoelig voor veranderingen in de ionconcentratie van de extracellulaire en intracellulaire vloeistof, alsmede voor geneesmiddelen die de dragers of kanalen die met deze ionen geassocieerd zijn, zouden kunnen veranderen. Na de initiële depolarisatie in hartspiercellen is er een opeenvolging van openingen en sluitingen van specifieke kanalen die uiteindelijk resulteren in een terugkeer naar de transmembraanpotentiaal in rust. Deze sterk georkestreerde interactie van verschillende spanningsgevoelige kanalen, en de resulterende veranderingen in de transmembraanspanning, wordt de cardiale actiepotentiaal genoemd.

De depolarisatiegebeurtenis in de hartspiercel opent ook een calciumkanaal, waardoor calcium het myocardium kan binnendringen. Calcium is een belangrijke factor bij de koppeling tussen depolarisatie (excitatie) en contractie (excitatie-contractie koppeling). Onder normale omstandigheden is de concentratie vrije calciumionen in de hartspiercel zeer laag. Deze lage concentratie wordt gehandhaafd door de aanwezigheid van een intern membraansysteem, het sarcoplasmatisch reticulum genaamd, dat calciumionen vasthoudt. Bij excitatie en depolarisatie van de cel opent het calciumkanaal zich en laat het een kleine hoeveelheid calcium toe die samenhangt met de verschuiving van het membraanpotentiaal. Deze kleine hoeveelheid calcium stimuleert het vrijkomen van extra calcium uit calciumgevoelige kanalen in het sarcoplasmatisch reticulum, waardoor de calciumconcentratie in de cel met bijna het honderdvoudige toeneemt. Wanneer het hart wordt gerepolariseerd, absorbeert het sarcoplasmatisch reticulum het teveel aan calcium, en de cellulaire calciumconcentratie keert terug naar het voorheen lage niveau, waardoor de hartspier kan ontspannen.

Reabsorptie van cellulair calcium door het sarcoplasmatisch reticulum is belangrijk omdat het de ontwikkeling van spierspanning voorkomt. In rusttoestand binden twee eiwitten, troponine en tropomyosine, zich aan actinemoleculen en remmen de interactie tussen actine en myosine, waardoor spiercontractie wordt geblokkeerd. Wanneer de calciumconcentratie tijdens depolarisatie stijgt, verschuift de conformatie van troponine en tropomyosine, en kan actine zich met myosine associëren. Wanneer calcium weer door het sarcoplasmatisch reticulum wordt opgenomen, ontspant de hartspiercel zich. Factoren die de stijging en daling van calciumconcentraties in de hartspiercel regelen, hebben ingrijpende gevolgen voor de hartfunctie.