Reglering av hjärtslag

Hjärtats regelbundna slag uppnås som ett resultat av hjärtmuskelns inneboende rytmicitet; inga nerver finns i själva hjärtat och inga yttre regleringsmekanismer är nödvändiga för att stimulera muskeln att dra ihop sig rytmiskt. Att dessa rytmiska sammandragningar har sitt ursprung i hjärtmuskeln kan styrkas genom att observera hjärtats utveckling hos embryot (se ovan); hjärtpulserna börjar innan nervfibrerna har utvecklats tillräckligt. Dessutom kan man i laboratoriet visa att även fragment av hjärtmuskel i vävnadskultur fortsätter att kontrahera rytmiskt. Dessutom finns det ingen gradering i graden av sammandragning av hjärtats muskelfibrer, vilket man skulle kunna förvänta sig om de i första hand stod under nervkontroll.

Enbart innehavet av denna inneboende förmåga är dock inte tillräckligt för att hjärtat ska kunna fungera effektivt. En korrekt funktion kräver samordning, som upprätthålls av ett utarbetat ledningssystem i hjärtat som främst består av två små, specialiserade vävnadsmassor, eller noder, från vilka impulserna utgår, och av nervliknande ledningar för överföring av impulserna, med slutgrenar som sträcker sig till ventriklarnas insida.

Rytmiska hjärtsammandragningar har sitt ursprung i en elektrisk impuls som går från hjärtats ovansida i förmaken till hjärtats undersida i ventriklarna. Impulsen fortplantas som en våg som färdas från cell till cell. Spänningskänsliga proteinkanaler på ytan av sarkolemma, det membran som omger muskelfibrerna, stöder strömflödet när det gäller flödet av specifika joner (jonspecifika kanaler). Dessa spänningskänsliga kanaler öppnas och stängs som en funktion av den spänning som uppfattas på den yttre sidan och den inre sidan (som kallas ”över membranet” eller transmembran) av sarkolemma, mellan vilka det finns en skillnad i elektrisk potential. En elektrisk potentialgradient skapas av ett överskott av negativa joner omedelbart inuti sarkolemman och ett lika stort överskott av positiva joner på utsidan av sarkolemman (ett stadium som kallas vilopotential). När en nervimpuls stimulerar jonkanaler att öppna sig flödar positiva joner in i cellen och orsakar depolarisering, vilket leder till muskelcellens sammandragning.

Under vilande förhållanden är hjärtcellen i första hand genomsläpplig endast för positivt laddade kaliumjoner, som långsamt läcker in i cellen. I specialiserade pacemaking-celler, som finns i sinoatrialknutan, driver den negativa vilopotentialen rytmiskt mot den positiva tröskelpotentialen. När tröskelpotentialen överskrids utlöses en depolarisering av cellen och jonkanaler öppnas som transporterar natrium och kalcium in i cellen. Denna plötsliga ökning av hjärtats membranpotential överförs från cell till cell och skapar en våg av depolarisering som funktionellt representerar hjärtats excitationssignal. Utbredningen av signalen fortskrider snabbt nedåt i ledningsvävnaden via specialiserade förmaksceller, den atrioventrikulära noden och His- och Purkinje-cellernas buntar och följs av en långsammare spridning av signalen i ventrikulära muskelceller. Hastigheten av spontan depolarisering är en viktig bestämningsfaktor för hjärtfrekvensen.

Både excitations- och fortplantningsmekanismerna är känsliga för förändringar i jonkoncentrationen i den extracellulära och intracellulära vätskan, liksom för läkemedel som kan förändra de bärare eller kanaler som är associerade med dessa joner. Efter den första depolarisationshändelsen i hjärtmuskelceller sker en sekvens av öppningar och stängningar av specifika kanaler som slutligen resulterar i en återgång till den vilande transmembranpotentialen. Denna mycket orkestrerade interaktion mellan olika spänningskänsliga kanaler och de resulterande förändringarna i transmembranspänningen kallas hjärtats aktionspotential.

Den depolariserande händelsen i hjärtmuskelcellen öppnar också en kalciumkanal, vilket gör det möjligt för kalcium att tränga in i myokardiet. Kalcium är en viktig effektor av kopplingen mellan hjärtats depolarisering (excitation) och hjärtats kontraktion (kallad ”excitation-kontraktionskoppling”). Under normala omständigheter är koncentrationen av fria kalciumjoner i hjärtmuskelcellen mycket låg. Denna låga koncentration upprätthålls genom att det finns ett inre membransystem, det sarkoplasmatiska retiklet, som binder kalciumjoner. Vid excitering och depolarisering av cellen öppnas kalciumkanalen och släpper in en liten mängd kalcium i samband med förskjutningen av membranpotentialen. Denna lilla mängd kalcium stimulerar frisättningen av ytterligare kalcium från kalciumkänsliga kanaler i det sarkoplasmatiska retikulumet, vilket leder till att den cellulära kalciumkoncentrationen ökar med nästan 100 gånger. När hjärtat repolariseras återtar det sarkoplasmatiska retikulumet det överflödiga kalciumet, och den cellulära kalciumkoncentrationen återgår till sin tidigare låga nivå, vilket låter hjärtmuskeln slappna av.

Reabsorptionen av cellulärt kalcium av det sarkoplasmatiska retikulumet är viktig eftersom den förhindrar utvecklingen av muskelspänningar. I vilotillstånd binder två proteiner, troponin och tropomyosin, till aktinmolekyler och hämmar interaktionen mellan aktin och myosin, vilket blockerar muskelkontraktionen. När kalciumkoncentrationen ökar under depolarisering, förändras konformationen hos troponin och tropomyosin, och aktin kan associera sig med myosin. När kalcium åter tas upp av det sarkoplasmatiska retikulumet slappnar hjärtmuskelcellen av. Faktorer som kontrollerar kalciumkoncentrationernas uppgång och nedgång i hjärtmuskelcellen har djupgående effekter på hjärtats funktion.