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Das Standardmodell zum Verständnis des kardialen Aktionspotentials ist das des ventrikulären Myozyten. Nachfolgend sind die fünf Phasen des ventrikulären Myozytenaktionspotentials beschrieben, wobei auch auf das SAN-Aktionspotential Bezug genommen wird.,

Phase 4Edit

Im ventrikulären Myozyten tritt Phase 4 auf, wenn sich die Zelle in Ruhe befindet, in einer als Diastole bekannten Periode. In der Standard-Nicht-Schrittmacherzelle ist die Spannung während dieser Phase mehr oder weniger konstant, bei etwa -90 mV., Das Ruhememembranpotential resultiert aus dem Fluss von Ionen, die in die Zelle geflossen sind (z. B. Natrium und Kalzium) und die Ionen, die aus der Zelle geflossen sind (z. B. Kalium, Chlorid und Bikarbonat), sind perfekt ausgeglichen.,

Das Austreten dieser Ionen über die Membran wird durch die Aktivität von Pumpen aufrechterhalten, die dazu dienen, die intrazelluläre Konzentration mehr oder weniger konstant zu halten, so dass beispielsweise die Natrium (Na+)-und Kalium (K+) – Ionen durch die Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten werden, die Energie (in Form von Adenosintriphosphat (ATP)) verwendet, um drei Na+ aus der Zelle und zwei K+ in die Zelle zu bewegen. Ein weiteres Beispiel ist der Natrium-Calcium-Wärmetauscher, der ein Ca2+ aus der Zelle für drei Na+ in die Zelle entfernt.,

Während dieser Phase ist die Membran am durchlässigsten für K+, die durch Leckkanäle, einschließlich des nach innen rektifizierenden Kaliumkanals, in die Zelle oder aus dieser heraus gelangen kann. Daher wird das Ruhememembranpotential hauptsächlich durch das K+ – Gleichgewichtspotential bestimmt und kann unter Verwendung der Goldman-Hodgkin-Katz-Spannungsgleichung berechnet werden.

Herzschrittmacherzellen sind jedoch niemals in Ruhe. In diesen Zellen wird Phase 4 auch als Schrittmacherpotential bezeichnet., Während dieser Phase wird das Membranpotential langsam positiver, bis es einen eingestellten Wert erreicht (um -40 mV; bekannt als Schwellenpotential) oder bis es durch ein anderes Aktionspotential depolarisiert wird, das von einer benachbarten Zelle kommt.

Es wird angenommen, dass das Schrittmacherpotential auf eine Gruppe von Kanälen zurückzuführen ist, die als HCN-Kanäle bezeichnet werden (hyperpolarisationsaktivierte zyklische Nukleotid-gated). Diese Kanäle öffnen sich bei sehr negativen Spannungen (d. H. Unmittelbar nach Phase 3 des vorherigen Aktionspotentials; siehe unten) und ermöglichen den Durchgang von K+ und Na+ in die Zelle., Aufgrund ihrer ungewöhnlichen Eigenschaft, durch sehr negative Membranpotentiale aktiviert zu werden, wird die Bewegung von Ionen durch die HCN-Kanäle als Primärstrom bezeichnet (siehe unten).

Eine weitere Hypothese bezüglich des Schrittmacherpotentials ist die „Calciumuhr“. Hier wird Kalzium aus dem sarkoplasmatischen Retikulum innerhalb der Zelle freigesetzt., Dieses Calcium erhöht dann die Aktivierung des Natrium-Calcium-Austauschers, was zu einer Erhöhung des Membranpotentials führt (da eine +3-Ladung in die Zelle gebracht wird (durch die 3Na+), aber nur eine +2-Ladung die Zelle verlässt (durch die Ca2+) Daher tritt eine Nettoladung von +1 in die Zelle ein). Dieses Kalzium wird dann zurück in die Zelle und zurück in die SR über Calciumpumpen (einschließlich der SERCA) gepumpt.,

Phase 0 >

Diese Phase besteht aus einer schnellen, positiven Spannungsänderung über die Zellmembran (Depolarisation) von weniger als 2 ms in ventrikulären Zellen und 10/20 ms in SAN-Zellen. Dies geschieht aufgrund eines Nettoflusses positiver Ladung in die Zelle.

In Nicht-Schrittmacherzellen (d. H. ventrikulären Zellen) wird dies vorwiegend durch die Aktivierung von Na+ – Kanälen erzeugt, was die Membranleitfähigkeit (Strömung) von Na+ (gNa) erhöht. Diese Kanäle werden aktiviert, wenn ein Aktionspotential von einer benachbarten Zelle durch Spaltübergänge ankommt., In diesem Fall steigt die Spannung innerhalb der Zelle leicht an. Wenn diese erhöhte Spannung einen bestimmten Wert erreicht (Schwellenpotential; ~-70 mV), werden die Na+ – Kanäle geöffnet. Dies erzeugt einen größeren Zustrom von Natrium in die Zelle, wodurch die Spannung schnell weiter erhöht wird (auf ~ +50 mV; d. H. In Richtung des Na+ – Gleichgewichtspotentials). Wenn der anfängliche Stimulus jedoch nicht stark genug ist und das Schwellenpotential nicht erreicht wird, werden die schnellen Natriumkanäle nicht aktiviert und es wird kein Aktionspotential erzeugt; Dies wird als All-or-None-Gesetz bezeichnet., Der Zustrom von Calciumionen (Ca2+) durch Calciumkanäle vom L-Typ macht ebenfalls einen geringen Teil des Depolarisationseffekts aus. Die Steigung der Phase 0 auf der Aktionspotentialwellenform (siehe Abbildung 2) stellt die maximale Rate der Spannungsänderung des Herzaktionspotentials dar und wird als dV/dtmax bezeichnet.

In Schrittmacherzellen (z. B. Sinusknotenzellen) ist der Anstieg der Membranspannung jedoch hauptsächlich auf die Aktivierung von Calciumkanälen vom L-Typ zurückzuführen., Diese Kanäle werden ebenfalls durch eine Spannungserhöhung aktiviert, diesmal jedoch entweder aufgrund des Schrittmacherpotentials (Phase 4) oder eines entgegenkommenden Aktionspotentials. Die Kalziumkanäle vom L-Typ aktivieren sich gegen Ende des Schrittmacherpotentials (und tragen daher zu den letzteren Stadien des Schrittmacherpotentials bei). Die Calciumkanäle vom L-Typ werden langsamer als die Natriumkanäle in der ventrikulären Zelle aktiviert, daher ist die Depolarisationsneigung in der Schrittmacheraktionspotential-Wellenform weniger steil als die in der Nicht-Schrittmacheraktionspotential-Wellenform.,

Phase 1 >

Diese Phase beginnt mit der schnellen Inaktivierung der Na+ – Kanäle durch das innere Gate (Inaktivierungstor), wodurch die Bewegung von Natrium in die Zelle reduziert wird. Gleichzeitig öffnen und schließen sich Kaliumkanäle (Ito1 genannt) schnell und ermöglichen einen kurzen Fluss von Kaliumionen aus der Zelle, wodurch das Membranpotential etwas negativer wird. Dies wird als „Kerbe“ auf der Aktionspotentialwellenform bezeichnet.

In Schrittmacherzellen ist keine offensichtliche Phase 1 vorhanden.,

Phase 2 >

Diese Phase wird auch als „Plateau“ – Phase bezeichnet, da das Membranpotential nahezu konstant bleibt, da die Membran langsam zu repolarisieren beginnt. Dies ist auf das nahe Ladungsgleichgewicht zurückzuführen, das sich in die Zelle und aus ihr heraus bewegt. Während dieser Phase ermöglichen verzögerte Gleichrichterkaliumkanäle Kalium, die Zelle zu verlassen, während L-Kalziumkanäle (aktiviert durch den Natriumfluss während der Phase 0) die Bewegung von Calciumionen in die Zelle ermöglichen., Diese Calciumionen binden an und öffnen mehr Kalziumkanäle (sogenannte Ryanodinrezeptoren), die sich auf dem sarkoplasmatischen Retikulum innerhalb der Zelle befinden und den Kalziumfluss aus der Zelle ermöglichen. Diese Calciumionen sind für die Kontraktion des Herzens verantwortlich. Calcium aktiviert auch Chloridkanäle namens Ito2, die es Cl− ermöglichen, in die Zelle einzudringen. Die Bewegung von Ca2+ widerspricht der repolarisierenden Spannungsänderung, die durch K+ und Cl-verursacht wird., Darüber hinaus erhöht die erhöhte Calciumkonzentration die Aktivität des Natrium-Calcium-Austauschers, und die Erhöhung des in die Zelle eintretenden Natriums erhöht die Aktivität der Natrium-Kalium-Pumpe. Die Bewegung all dieser Ionen führt dazu, dass das Membranpotential relativ konstant bleibt. Diese Phase ist für die große Dauer des Aktionspotentials verantwortlich und wichtig, um unregelmäßigen Herzschlag (Herzrhythmusstörungen) zu verhindern.

In Schrittmacheraktionspotentialen ist keine Plateauphase vorhanden.,

Phase 3 >

Während Phase 3 (Phase „Rapid repolarization“) des Aktionspotentials schließen sich die Ca2+-Kanäle vom L-Typ, während die Kanäle vom Typ Slow Delayed Rectifier (IKs) K+ offen bleiben, wenn sich mehr Kaliumleckkanäle öffnen. Dies gewährleistet einen netto-positiven Strom nach außen, der einer negativen Änderung des Membranpotentials entspricht, wodurch mehr Arten von K+ – Kanälen geöffnet werden können. Hierbei handelt es sich in erster Linie um den Rapid Delayed Rectifier K+ Kanäle (IKr) und den nach innen gleichrichtenden K+ Strom, IK1.,Dieser nach außen gerichtete positive Strom (gleich dem Verlust der positiven Ladung aus der Zelle) bewirkt, dass die Zelle repolarisiert. Die verzögerten Gleichrichter K+ – Kanäle schließen, wenn das Membranpotential auf etwa -85 bis -90 mV wiederhergestellt wird, während IK1 während der gesamten Phase 4 leitend bleibt, was dazu beiträgt, das Ruhememembranpotential

Ionenpumpen wie oben besprochen einzustellen, wie der Natrium-Calcium-Wärmetauscher und die Natrium-Kalium-Pumpe stellen Ionenkonzentrationen wieder auf ein ausgewogenes Zustand-Voraktionspotential., Dies bedeutet, dass das intrazelluläre Kalzium abgepumpt wird, das für die Herzmyozytenkontraktion verantwortlich war. Sobald dies verloren ist, hört die Kontraktion auf und Myozytenzellen entspannen sich, was wiederum den Herzmuskel entspannt.

In dieser Phase verpflichtet sich das Aktionspotential fatalerweise zur Repolarisation. Dies beginnt mit dem Schließen der L-Typ Ca2+Kanäle, während die K+ Kanäle (ab Phase 2) offen bleiben. Die wichtigsten an der Repolarisation beteiligten Kaliumkanäle sind die verzögerten Gleichrichter (IKr) und (IKs) sowie der nach innen gerichtete Gleichrichter (IK1)., Insgesamt gibt es einen nettoauswärts positiven Strom, der eine negative Veränderung des Membranpotentials erzeugt. Die verzögerten Gleichrichterkanäle schließen sich, wenn das Membranpotential auf Ruhepotential zurückgesetzt wird, während die nach innen gerichteten Gleichrichterkanäle und die Ionenpumpen während der gesamten Phase 4 aktiv bleiben und die Ruhenionenkonzentrationen zurückgesetzt werden. Dies bedeutet, dass das Kalzium, das für die Muskelkontraktion verwendet wird, aus der Zelle gepumpt wird, was zu Muskelentspannung führt.,

Im Sinusknoten ist diese Phase auch auf das Schließen der Calciumkanäle vom L-Typ zurückzuführen, wodurch der Fluss von Ca2+ nach innen und die Öffnung der schnell verzögerten Gleichrichterkaliumkanäle (IKr) verhindert werden.