Herz-Kreislauf-System

Herz besteht aus zwei Pumpen

• rechts: in grossen Kreislauf
• links: kleiner KL
• rechtes und linkes Herz sind je in zwei Kammern gegliedert:
  • Vorhof: Sammelbecken für ankommendes Blut
  • Kammer (ventricule): Druckerzeuger
    • hat Herzklappen (=Ventile) für unidirektionalen Blutfluss
      • Segelklappen oder Atrioventrikuläre Klappen (AV): zwischen Vorhof und Kammer
        • Tricuspidal (rechts), Mitral (links)
      • Taschenklappen: zwischen Kammer und Ausstromgefäss
        • Pulmonalklappe (rechts),  Aortenklappe (links)

• Fluss: ∆P/R

Fluss wird bestimmt durch

•  Druckunterschied: ∆P
  • generiert durch Herz, wirken drei Kräfte auf Blut
    • lateraler Druck: nimmt ab, wenn kinetischer Druck hoch ist (schnell fliessendes Blut)
    • kinetischer Druck
      --> ergeben gemeinsam totalen Druck. Für Berechnungen ist immer nur dieser zu verwenden.
    • (Schwerkraft)
• Hydraulischer Widerstand R
  • Hagen-Poseuille: 8Ln / πr⁴
    --> Fluss 5x stärker wenn r auf 150% (reale Massstäbe)

Kontinuität: V₁ x A₁ = V₂ x A₂

• In Aorta fliess Blut schnell weil A klein (4 cm²) während es in Kapillaren langsam fliesst (A = 3000 cm²)
• Da in Serie geschlatet Fluss konstant, egal wie dick/dünn Gefäss!

Compliance

• Windkesseleffekt: Kraft x Länge = Druck x Volumen
  • Erhöhen des Volumens heisst weniger Druck muss erzeugt werden --> schont Herz
  • Dämpft Variationen des Drucks und des Flusses aus, indem dieser regelmässiger gemacht wird
• Füllungsdruck
  • zu wenig Platz für 5L Blut in Gefässen --> stehen immer unter Druck, auch das Herz (120/80 mmHg)
  • Herz erhöht mit jedem Schlag arteriellen Blutdruck und erniedrigt gleichzeitig den zentralen Venendruck

Widerstände

• in Serie: rV, Lungen, lV --> um gesamte Blut mit O2 anzureichern
• Parallel: Organe, Peripherie --> Bedürfnisse können reguliert werden
  • Wichtig ml/min zu verwenden weil % nicht über tatsächlich erhaltene Menge Aufschluss geben
    Gehirn erhält immer gleich viel Blut
    Herz pumpt immer alles, egal ob 5L/min oder 15L/min
    Muskeln können ihren paralellen Widerstand regulieren und dadurch mehr oder weniger ml/min erhalten

• Arbeitsmuskulatur: pumpt
  • Glanzstreifen: synzytium (elektrische Kopplung der Zellen durch Connexone)
    --> Erregung führt zu Kontraktion aller Zellen, d.h. Graduierung der Stärke unmöglich
• Knoten: spezialisierte Muskulatur, leitet AP unterschiedlich schnell weiter
  • Hierarchie
    1. Sinusknoten
       Für spontane, autonomen Herzschlag verantwortlich
       Rythmus von 60-90 bpm
    2. AV-Knoten: Brücke zwischen Vorhof und Ventrikel
       Verzögert Signalübertragung, 90ms Verzögerung
       40-60 bpm
    3. His-Bündel
    4. Purkinje-Fäden: Kontraktion à l'unisson
       schnellste Fortleitungsgeschwindigkeit
       30-40bpm
  • Zweck: Effeziente Kontraktion
    • Vorhof und Ventrikel kontrahieren verzögert, dadurch kann sich ein Teil füllen während er andere sich leert
    • simultane (=effiziente) Kontraktion der Kammern (Ballon-Beispiel: muss überall gleichzeitig gedrückt werden, damit Wasser oben rauskommt). Das Blut gelangt in Ausgangsgefässe

Arbeitsmukulatur

Phase4

• Ruhemembranpotential, bestimmt durch K: -80 bis -90
• Permeabilität für K hoch, nicht-voltage-gated K-Kanäle

Phase 0: Aufstrich

• Durch leichte Depolarisation wird Schwelle (ca. -60mV) erreicht. Die Depolarisation kann zB durch Depolarisation einer benachbarten Zelle bedingt sein --> Connexone
• Schlagartiges öffnen vieler voltage-gated Na-Kanäle: Depolarisation
  • Na-influx weil
    a) Schwellen für Öffnen (-60mV) und Verschliessen (-40mV) der Na-Kanäle unterschieldich sind
    b) Verschliessen länger dauert als das Öffnen
    --> zeitlich versetzt
• permebilität für K durch nicht-vg-Kanäle weiterhin vorhanden deswegen Depolarisation bis ca +20mV (und nicht bis E_Na=70mV)

Phase1

• A: kurze Repolarisation
  • Peak wurde erreicht, vg Na-Kanäle verschlossen
  • vg K-Kanäle öffnen sich und beginnen durch K-efflux E_K anzustreben --> Repolarisation bis ca. +5mv

Phase 2: Plateau

• Ca-Kanäle öffnen sich (-40mV): Ca-Einstrom
  • Öffnen und Schliessen dauern gemeinsam lange: ca. 200ms, activation und inactivaton gates haben verschiedene Schwellen --> änhlicher Mechanismus wie Na-Kanäle
  • Gleichzeitig wird der K-efflux gehemmt, aber nicht gestoppt
    • K-Efflux wird über vg-Kanäle bestimmt, die bereits bei -70mV beginnen, gK1 zu verringern (K würde schnell auströmen, da negatives Zelläussere die positiven K-Ionen anzieht)
      --> Ca-Einstrom und K-Austrom kompensieren sich ==> Plateau bei ca. 0mV

Phase 3: Repolarisation durch positives Feedback

• Ca influx wird gestoppt (longlasting-type: wurden schon vorhin zum Verschluss angereizt, aber Verschluss dauert lange) -->  Kurve nimmt Repolarisationscharakter an (wird negativer)
• zweite Art von vg K-Kanäle öffnet sich --> K-efflux verstärkt, Repolarisation weiterhin verstärkt

Zurück zu Phase 4: Ruhemembranpotential

Solange E_m über -40mv, befindet sich Zelle in absoluter Refraktärperiode

• Aktivationstüren der Na-Kanäle sind verschlossen
• Ca-Kanäle sind offen und verlängern die Plateauphase, sodass -40mV möglichst spät erreicht wird

sobald Membranpotenzial -40mV passiert hat, befindet sich diese in relativer Refraktärperiode

• zweiter Reiz möglich unter Bedigung, dass mehr Ionen einfliessen (Reizstärke muss grösser sein als gewöhnlich)

Zellen des Sinusknoten sind Pacemaker, sie unterscheiden sich in ihrem AP von Myokardzellen durch

• Ruhemembranpotential (=diastolisches Potential)
  • instabil (nie flach), sich rythmisch wiederholend
  • liegt bei -60 statt -90 mV
    • kann auf -70mV herabgesetzt werden, um Hfreq zu verringern
• Depolarisation
  • langsamerer Anstieg
    • keine Na-Kanäle vorhanden, nur langsame Ca-Kanäle (-40mV)
• Dauer des AP
  • AP in Pacemakerzellen dauern länger als im Abeitsmyokard
    • Anstieg kann verändert werden: Herzfrequenz nimmt zu, wenn Anstieg steiler und umgekehrt
• Automatische Wiederholung des AP
  • Pacemakerzellen wiederholen ihr AP zyklisch

Mechanismus: zyklische Änderungen der Permeabilität

1. Na-Kanäle (funny channel) sind offen, Zelle depolarisiert sich progressiv bis Schwellenwert von -40mV erreicht wird.
   • K-Kanäle solange verschlossen
   • Ca transient Kanäle öffnen sich ebenfalls, aber nach funny channel und vor longlasting Ca-Kanal (also etwas vor Schwellenpotential)
2. Ca-Kanäle öffnen sich bei Schwellenpotential, Depolarisation
   • iCa_L Kanäle (long lasting) werden geöffnet
3. öffnen von K-Kanälen, K-efflux, Repolarisation
   • verschliessen sich bei -60mV wieder
   • Repolarisation aktiviert Na-Kanal --> zurück zu 1.

• Chronotroper Effekt: veränderung der Herzfrequenz
  • positiv: Hfreq erhöht durch Verkürzung Phase 4 in Sinusknoten: Schwellenwert wird schneller erreicht
  • negativ: Anstieg wird flacher, Ruhemembranpotential negativer als -60mV (zB -70mV)
• Inotroper Effekt: CICR: Calcium induced calcium release --> je mehr Ca in Zelle gelangt, desto stärker Kontraktion
  • positive Inotropie: Ca-Einstrom während PLateauphase wird verstärkt
  • Treppeneffekt
• Lusitroper Effekt: Ca-Affinität von Troponin C für Ca wird verändert
  • positive Lusotropie: schnelleres Erschlaffen/Relaxationsfähigkeit der Arbeitsmuskulatur
  • Reserve an Ca in SR wird grösser, wodurch sich die Kontraktionsstärke bei folgender Ca-Freisetzung erhöht
• Dromotroper Effekt
  • Veränderung der Leitungsgeschwindigkeit im AV-Knoten
  • positiv: Noradrenalin
  • negtiv: ACh

Bowditch Effekt/ Treppenphänomen: inotrop positiv (viel Ca in SR)

• intrazelluläre [Na] und [Ca] steigen, Na-K-ATPase überfordert
• inotrope und chronotroper Effekte wirken simultan und erhöhen die bpm sowie Kontraktionskraft des Herzens
• Bei zunehmender Frequenz nimmt automatisch auch Kontraktionsstärke progressiv zu (v.a. für bpm > 70-80)

Kopplung

• Herzmuskel: chemische kopplung, CICR
• Skelettmuskel: mechanisch, DHPR und RyR1 in direktem Kontakt

Calcium

• Herzmuskelzelle
  • in SR gespeichert, extrazellulär vorhanden
  • AP öffnet Ca-Kanäle (L-type) wodruch [Ca] intrazellulär leicht erhöht wird: Keine Muskelkontraktion aber Öffnen von intrazellulären RyR2-Kanälen (= nicht vg!). Diese setzten Ca aus SR frei --> Konktration
    Nach Kontraktion muss Ca nebst ins SR auch in Extrazellulärraum geschafft werden.
• Skelettmuskelzelle
  • gesammt Ca innerhalb des SR gespeichert