Das Aktionspotential ist ein grundlegendes Konzept in der Physiologie, insbesondere wenn es um die Funktion des Herzens geht. Es beschreibt die kurzzeitige Veränderung des Membranpotentials einer Zelle, die für die Erregungsleitung unerlässlich ist. Im Herzen ermöglicht das Aktionspotential die koordinierte Kontraktion der Herzmuskelzellen und somit die Aufrechterhaltung des Blutkreislaufs. Dieser Artikel beleuchtet die physiologischen Grundlagen des Aktionspotentials im Herzen, seine verschiedenen Phasen, die Rolle von Ionenkanälen und Schrittmacherzellen sowie die klinische Bedeutung von Störungen in der Erregungsleitung.
Grundlagen des Aktionspotentials
Ein Aktionspotential ist eine vorübergehende Veränderung des Membranpotentials über der Zellmembran, die zur Reizweiterleitung dient. Diese Reizweiterleitung findet in Nervenzellen (Neuronen) statt und äußert sich als Änderung des Membranpotentials. Die Änderung der Spannung wird durch das Öffnen und Schließen von spannungsgesteuerten Ionenkanälen in der Membran verursacht. Wenn ein elektrischer Reiz an einer Nervenzelle ankommt, ändert sich die Spannung, und die Ionenkanäle öffnen sich.
Ruhepotential
Zunächst liegt das Potential einer Zelle in Ruhe (Ruhepotential) bei etwa -70 mV. In diesem Zustand, der als Ruhepotential bezeichnet wird, ist die Konzentration der Kaliumionen im Zellinneren hoch, während die Natriumkonzentration außerhalb der Zelle höher ist. Die spannungsgesteuerten Natrium- und Kaliumkanäle in der Membran sind geschlossen.
Auslösung eines Aktionspotentials
Ein am Axonhügel eines Neurons ankommender Reiz erhöht die Spannung an der Zellmembran. Nur wenn dieser Reiz die Spannung über einen Schwellenwert von etwa -50 mV erhöht, wird ein Aktionspotential ausgelöst. Das ‚Alles-oder-Nichts-Gesetz‘ besagt, dass ein Aktionspotential entweder in voller Größe oder gar nicht auftritt.
Phasen des Aktionspotentials
Du kannst den Verlauf eines Aktionspotentials in fünf verschiedene Phasen einteilen. Die verschiedenen Schritte verlaufen sehr schnell hintereinander. So dauert ein Aktionspotential in den Nervenzellen nur ca.
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Depolarisation
Die Depolarisation ist die Anstiegsphase des Aktionspotentials. Wenn das Membranpotential einen Wert von etwa -50 mV überschreitet, öffnen sich spannungsabhängige Natriumkanäle in der Membran. Da die Natriumkonzentration außerhalb der Zelle deutlich höher ist als im Zellinneren, strömen positiv geladene Natriumionen schlagartig in das Zellinnere des Axons. Dies führt zur Öffnung weiterer Natriumkanäle und somit zu einer positiven Rückkopplung. Es kommt sogar zur Ladungsumkehr, sodass die Innenseite der Zelle positiv geladen wird. Die Zelle wird weniger negativ. Depolarisation: in Relation leicht negativ/leicht positiv geladene Zelle (d. h.
Repolarisation
Die Repolarisation ist die Phase, in der sich das Membranpotential wieder dem Ruhepotential nähert. Bevor das Maximum des Membranpotentials erreicht ist, beginnen sich die Natriumkanäle wieder zu schließen. Gleichzeitig beginnen sich die spannungsgesteuerten Kaliumkanäle zu öffnen, wodurch Kaliumionen aus der Zelle strömen. Da das Schließen der Kaliumkanäle länger dauert als das der Natriumkanäle, kann es sogar zur Unterschreitung des Ruhepotentials kommen. Das Zelläußere ist jetzt im Vergleich zum Inneren der Zellen negativ geladen und die Kaliumkonzentration außerhalb der Zelle ist niedriger. Die Spannung sinkt deshalb unter den Ausgangswert.
Hyperpolarisation
Hyperpolarisation: in Relation negativ geladene Zelle (d. h.
Refraktärzeit
Nach dem Ablauf des Aktionspotentials kann nicht direkt die nächste Erregung weitergeleitet werden. Es dauert eine kurze Zeit, bis eine Zelle wieder erregbar ist. Diese Zeit, in der die Kanäle inaktiv sind, wird als Refraktärzeit bezeichnet und ist wichtig für eine unidirektionale Weiterleitung eines Reizes. Es gibt zwei Phasen der Refraktärzeit:
- Absolute Refraktärphase: Kurz nach der Umpolarisierung können sich die Natriumkanäle erst gar nicht öffnen.
- Relative Refraktärzeit: Nach der Repolarisation wird der Schwellenwert zur Öffnung der Kanäle wieder niedriger, bis er wieder auf den Normalwert sinkt. In dieser Phase sind stärkere Reize für die Auslösung eines Aktionspotentials erforderlich.
Wiederherstellung des Ruhepotentials
Damit die Zelle bereit für ein neues Aktionspotential ist, muss die ursprüngliche Ionenverteilung wiederhergestellt werden. Dies geschieht durch die Natrium-Kalium-ATPase, die unter Energieverbrauch Natrium aus der Zelle heraus und Kalium in die Zelle zurückpumpt und somit das Ruhepotential der Zelle aufrechterhält.
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Bedeutung des Aktionspotentials
Das Aktionspotential sorgt dafür, dass Informationen schnell durch den Körper geleitet werden. Ein zu schwacher Reiz erreicht nicht den Schwellenwert, aber ein starker Reiz kann kein größeres Aktionspotenzial auslösen. Sobald der Schwellenwert erreicht ist, läuft das Aktionspotential immer gleich ab - egal, wie stark der Reiz war. Das Aktionspotential ist ein zentrales Element für die gesamte Erregungsleitung zwischen Nervenzellen.
Aktionspotential im Herzmuskel
Herzmuskelzellen des Arbeitsmyokards depolarisieren nur, wenn sie ein elektrischer Reiz erreicht. Herzmuskelzellen sind über Gap Junctions miteinander verbunden. Die Depolarisation breitet sich über Gap Junctions aus. Die Ausbreitung von Aktionspotentialen erfolgt durch Gap Junctions, die Kardiomyozyten miteinander verbinden. Sie beeinflussen so die Öffnung spannungsgesteuerter Na+- und Ca2+-Kanäle.
Phasen des Aktionspotentials von Herzmuskelzellen
Die Phasen eines Aktionspotentials von Herzmuskelzellen (0, 1, 2, 3 und 4) treten nacheinander auf.
Aktionspotentiale von Schrittmacherzellen
Schrittmacherzellen, die sich in den SA- und AV-Knoten befinden, unterliegen ständigen Änderungen des Aktionspotentials und besitzen somit kein typisches Ruhepotential. Aktionspotentiale von Schrittmacherzellen haben eine längere Depolarisationsphase, während Aktionspotentiale des Arbeitsmyokard von einer isoelektrischen (flachen) Linie ausgehen, die Schrittmacherzellen durch den ständigen Wechsel zwischen De- und Repolarisation nicht besitzen.
Die Phasen eines Aktionspotentials einer Schrittmacherzelle (4, 0, 3 und 4) treten nacheinander auf.
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Autonome Regulierung der Herzfrequenz
Die Frequenz des SA-Knotens wird hauptsächlich vom vegetativen bzw. Das sympathische Nervensystem erhöht die HF (positive Chronotropie), indem es über die β1-adrenergen Rezeptoren des SA-Knotens eingreift. Das parasympathische Nervensystem verringert die HF (negative Chronotropie) über den Nervus vagus, indem es über die muskarinischen Rezeptoren (M2) am SA-Knoten einwirkt. Arten von Muskelgewebe und bewirkt einen intrazellulären Anstieg von cAMP. Katecholamine im Kreislauf ↑ (z. B.
Unter Chronotropie versteht man die Beeinflussung der Geschwindigkeit der Erregung auf der Ebene der Schrittmacherzellen und somit die Herzfrequenz.
Klinische Bedeutung: Störungen der Erregungsleitung
Blockierungen im Bereich des AV-Knotens bedeuten, dass eine anatomische oder funktionelle Beeinträchtigung des Reizleitungssystems des Herzens eine Verzögerung oder Unterbrechung der Übertragung von Aktionspotentialen von den Vorhöfen auf die Ventrikeln auf Höhe des AV-Knotens verursacht.
AV-Block
- AV-Block 1. Grades: Betroffene Personen haben einen Sinusrhythmus mit ggf. Normales Elektrokardiogramm (EKG).
- AV-Block 2. Grades: verzögerte Überleitung durch den AV-Knoten. Mobitz Typ II: keine progressive Zunahme der verzögerten Überleitung (PQ-Zeit). Willkürlicher Ausfall von Reizen und Kammererregung. Oftmals ist aber auch ein regelmäßiges Muster (z. B.
- AV-Block 3. Grades: vollständiger Block des AV-Knotens, der zu einer atrial-ventrikulären Dissoziation führt (unabhängige Erregung und Kontraktion, da keine atrialen Reize mehr die Ventrikel erreichen). Bradyarrhythmien, welche von einem Schrittmacherzentrum distal der Blockierung vorgegeben wird (z. B.
Schenkelblöcke
Schenkel- und Hemiblöcke treten auf, wenn die physiologische elektrische Aktivität im His-Purkinje-System gestört oder unterbrochen ist. Es existieren unterschiedliche Genesen, die die Struktur des Herzens und/oder des Reizleitungssystems direkt beeinflussen können (z. B. Kardiomyopathien: Übersicht & Vergleich). Schenkelblöcke: eine Blockade der elektrischen Reizleitung durch einen His-Schenkel im Bereich des Septum interventrikulare. Durch die Blockierung wird der elektrische Reiz zuerst über den anderen Schenkel geleitet, sodass dieser Ventrikel als erstes depolarisiert.
Antiarrhythmika
Antiarrhythmika werden verwendet, um Herzrhythmusstörungen zu behandeln.
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