Aktionspotential im Herzen: Die Rolle von Kaliumkanälen

Das Aktionspotential ist ein grundlegendes Konzept in der Elektrophysiologie des Herzens. Es beschreibt die schnelle, vorübergehende Änderung des Membranpotentials einer Zelle, die für die Erregungsleitung unerlässlich ist. Im Herzen ist das Aktionspotential für die Koordination der Kontraktion der Herzmuskelzellen und somit für die Aufrechterhaltung der Pumpleistung verantwortlich. Kaliumkanäle spielen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung und Regulation des Aktionspotentials im Herzen.

Grundlagen des Aktionspotentials

Ein Aktionspotential ist eine kurzzeitige Änderung des Membranpotentials über der Zellmembran, die zur Reizweiterleitung zwischen Nervenzellen dient. Es ist ein zentrales Element für die gesamte Erregungsleitung zwischen Nervenzellen.

Ruhepotential

Zunächst liegt das Potential einer Zelle in Ruhe (Ruhepotential) bei etwa -70 mV. In diesem Zustand ist die Konzentration der Kaliumionen im Zellinneren hoch, während die Natriumkonzentration außerhalb der Zelle höher ist. Die in der Membran liegenden spannungsgesteuerten Natrium- und Kaliumkanäle sind zunächst geschlossen. Ionentransport bei Ruhepotential: Beim hyperpolarisierten Ruhepotential sind spannungsgesteuerte K+-Kanäle die einzigen offenen Kanäle; daher stabilisiert K+ in erster Linie das Ruhemembranpotential der Zellen.

Depolarisation

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. Die Depolarisation ist die Anstiegsphase des Aktionspotentials. Der Anstieg des Membranpotentials über einen Wert von etwa -50 mV führt zur Öffnung spannungsabhängiger Natriumkanäle in der Membran. Die Konzentration von Natriumionen ist außerhalb der Zelle deutlich höher als im Zellinnenraum. So kommt es zu einem schlagartigen Einstrom positiv geladener Natriumionen in das Zellinnere des Axons. Das führt zur Öffnung weiterer Natriumkanäle und stellt somit eine positive Rückkopplung dar. So kommt es sogar zur Ladungsumkehr. Die Innenseite ist jetzt also nicht mehr negativ, sondern positiv geladen. Herzmuskelzellen des Arbeitsmyokards depolarisieren nur, wenn sie ein elektrischer Reiz erreicht. Die Ausbreitung von Aktionspotentialen erfolgt durch Gap Junctions, die Kardiomyozyten miteinander verbinden. Sie beeinflussen so die Öffnung spannungsgesteuerter Na+- und Ca2+-Kanäle. Die Zelle wird weniger negativ.

Repolarisation

Die Repolarisation ist die Phase des Aktionspotentials, bei der sich das Membranpotential wieder dem Ruhepotential nähert. Bevor das Maximum des Membranpotentials erreicht ist, beginnen die Natriumkanäle sich wieder zu schließen. Gleichzeitig beginnen sich die spannungsgesteuerten Kaliumkanäle zu öffnen. Das Zelläußere ist jetzt im Vergleich zum Inneren der Zellen negativ geladen und die Kaliumkonzentration außerhalb der Zelle ist niedriger. Da das Schließen der Kaliumkanäle länger dauert, als das der Natriumkanäle, kann es sogar zur Unterschreitung des Ruhepotentials kommen. weiter Kaliumionen aus der Zelle. Die Spannung sinkt deshalb unter den Ausgangswert.

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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. Die Zeit, in der die Kanäle inaktiv sind, heißt Refraktärzeit. Sie ist wichtig für eine unidirektionale Weiterleitung eines Reizes. Kurz nach der Umpolarisierung können sich die Natriumkanäle erstmal gar nicht öffnen. Das ist die absolute Refraktärphase. Nach der Repolarisation wird der Schwellenwert zur Öffnung der Kanäle wieder niedriger, bis er wieder auf den Normalwert sinkt. Diese Phase, bei der du stärkere Reize für die Auslösung eines Aktionspotentials benötigst, heißt relative Refraktärzeit.

Wiederherstellung des Ruhepotentials

Damit die Zelle bereit für ein neues Aktionspotential ist, muss die ursprüngliche Ionenverteilung wieder hergestellt werden. (Natrium-Kalium-ATPase). Unter Energieverbrauch pumpt sie Natrium aus der Zelle heraus und Kalium in die Zelle zurück. Somit hält sie das Ruhepotential der Zelle aufrecht.

Die Rolle von Kaliumkanälen im Aktionspotential des Herzens

Kaliumkanäle sind integrale Bestandteile der Zellmembranen und spielen eine entscheidende Rolle in der physiologischen Funktionalität von Herzmuskelzellen. Sie regulieren den Kaliumionenfluss und beeinflussen so das elektrische Potenzial und die Signalleitung der Zellen. Kaliumkanäle sind spezialisierte Proteine in den Zellmembranen, die den selektiven Transport von Kaliumionen (K+) ermöglichen.

Phasen des Aktionspotentials von Herzmuskelzellen

Die Phasen 0, 1, 2, 3 und 4 treten nacheinander auf.

• Phase 0 (Depolarisation): Bei der Stimulation erfolgt eine schnelle Depolarisation über den Zustrom Einstrom von Natrium (Na+) und die Zelle wird positiv geladen (ungefähr 20 mV).
• Phase 1 (frühe Repolarisation): Während dieser Phase öffnet sich eine andere Art von Kaliumkanälen (K+) und ein kurzer Kaliumausstrom repolarisiert die Zelle leicht.
• Phase 2 (Plateauphase): Fast gleichzeitig mit dem Öffnen von Kaliumkanälen in Phase 1 öffnen sich spannungsgesteuerte, langsame Calciumkanäle (Ca2+), wodurch Calcium in die Zelle fließt.
• Phase 4 (Ruhephase): Während der Ruhephase sind nur nach extrazellulär gerichtete Kalium- (K+) -Kanäle geöffnet, sodass der Ausstrom von Kalium ein negatives Ruhemembranpotential (ungefähr -90 mV) herstellt.

Bedeutung verschiedener Kaliumkanäle

Verschiedene Arten von Kaliumkanälen tragen auf unterschiedliche Weise zum Aktionspotential bei:

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• Spannungsgesteuerte Kaliumkanäle: Diese öffnen sich bei bestimmten Spannungsschwellen und spielen eine Schlüsselrolle bei der Repolarisation der Zellmembran nach einem Aktionspotential. Sie bestimmen die Geschwindigkeit der Signalübertragung. Durch das schnelle Öffnen nach einem Aktionspotenzial unterstützen sie die Neuronen bei der Entladung und stellen sicher, dass das Membranpotenzial zu seinem Ruhewert zurückkehrt.
• Kalium-Leck-Kanäle: Sie sind für den Aufbau des Ruhemembranpotentials verantwortlich.
• Acetylcholin-abhängige Kaliumkanäle: Diese öffnen sich, wenn sie mit dem Neurotransmitter Acetylcholin in Kontakt kommen und sind wichtig für die Regulation der Herzfrequenz.

Spannungsabhängige Kaliumkanäle

Spannungsabhängige Kaliumkanäle funktionieren durch eine Wechselwirkung mit elektrischen Signalen, die an der Zellmembran auftreten. Bei einer bestimmten Spannungsänderung öffnen sich die Kanäle und lassen Kaliumionen aus der Zelle fließen. Dies trägt zur Repolarisation der Membran bei. Diese Kanäle haben eine spezifische Spannungsabhängigkeit, die durch die Struktur ihrer Proteinuntereinheiten bedingt ist. Diese Domänen enthalten sogenannte Spannungssensoren, die für die Spannungsabhängigkeit verantwortlich sind.

Im Nervensystem spielt die Spannungsabhängigkeit von Kaliumkanälen eine große Rolle. Sie bestimmen die Geschwindigkeit der Signalübertragung. Durch das schnelle Öffnen nach einem Aktionspotenzial unterstützen sie die Neuronen bei der Entladung und stellen sicher, dass das Membranpotenzial zu seinem Ruhewert zurückkehrt.

Aktionspotential Kaliumkanäle

Aktionspotential Kaliumkanäle sind spezialisierte Proteine, die sich öffnen, um K+ aus der Zelle zu transportieren, nachdem es zu einem Anstieg der Spannung an der Zellmembran gekommen ist. Sie helfen bei der Repolarisation der Zelle. Nach dem Auftreten eines Aktionspotenzials sorgen Kaliumkanäle für die Wiederherstellung des Ruhepotentials der Nervenzellen.

Diese Kanäle öffnen sich im Rahmen des Aktionspotenzials und lassen Kaliumionen aus der Zelle strömen, was zur Repolarisation des Membranpotentials beiträgt. Die Aktivität dieser Kaliumkanäle ist entscheidend für die schnelle Wiederherstellung des Ruhepotentials und für die Bereitschaft der Zelle, auf das nächste Signal zu reagieren.

Acetylcholin abhängige Kaliumkanäle

Acetylcholin abhängige Kaliumkanäle sind spezifische Kaliumkanäle, die sich öffnen, wenn sie mit dem Neurotransmitter Acetylcholin in Kontakt kommen. Diese Kanäle sind wichtig für die Regulation der Herzfrequenz und der Muskelbewegung.

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Diese Kanäle werden aktiviert durch die Bindung von Acetylcholin, einem wichtigen Neurotransmitter, an spezifische Rezeptoren. Dadurch wird eine Signalkaskade ausgelöst, die zur Öffnung des Kanals führt. Acetylcholin abhängige Kaliumkanäle finden sich besonders häufig im Herzmuskelgewebe, wo sie dazu beitragen, die Herzfrequenz zu regulieren und das Herz gegen übermäßige Erregung zu schützen.

Klinische Bedeutung von Kaliumkanälen im Herzen

Defekte in Kaliumkanälen können zu einer Vielzahl von Herzrhythmusstörungen führen. Daher sind diese Kanäle ein beliebtes Ziel für Medikamente, die auf die Behandlung von Herzerkrankungen abzielen. Kaliumkanäle können durch Medikamente moduliert werden, was bedeutet, dass sie die Wirksamkeit bestimmter Herzmedikationen beeinflussen.

• Herzrhythmusstörungen: Störungen in Kaliumkanälen können zu unregelmäßigen Herzschlägen führen.
• Antiarrhythmika: Viele Antiarrhythmika zielen spezifisch auf bestimmte Untertypen von Kaliumkanälen ab, um die elektrische Aktivität des Herzens zu regulieren.

Einfluss von Elektrolytstörungen auf das Aktionspotential

Elektrolyte sind Mineralien, die als Ionen (elektrisch geladene Atome) vorliegen können. Die bekanntesten Beispiele sind Natrium, Kalium, Kalzium, Magnesium und Chlorid. Im Körper sind Elektrolyte zumeist in Wasser gelöst. Natrium und Kalium werden durch die Zellmembran daran gehindert, sich sowohl außerhalb als auch innerhalb der Zelle gleichmäßig zu verteilen. Durch die Membran selbst können sie nicht fließen. Sie benötigen dafür entweder Transporter (z.B. die Natrium-Kalium-ATPasen) oder Kanäle.

• Hypokaliämie: Wenn die Kaliumkonzentration sinkt, steigt der Konzentrationsgradient zwischen intra- und extrazellulär an. Mehr Kalium strömt aus der Zelle (je steiler der Gradient, desto höher der Fluss - fast so wie bei einer Rutsche). Infolgedessen wird das Ruhemembranpotential negativer und die Wahrscheinlichkeit für eine Erregung sinkt. Vielmehr führt eine Hypokaliämie zu einer Rhythmusinstabilität. Therapiert wird die Hypokaliämie, indem Kalium substituiert wird.
• Hyperkaliämie: Es steht extrazellulär mehr Kalium zur Verfügung, dadurch wird der Konzentrationsgradient flacher und weniger Kalium strömt aus der Zelle nach außen.

K2P Kanäle und Vorhofflimmern

Die Aufklärung von pathophysiologischen Prozessen und veränderter Ionenkanalexpression bei Patienten mit Vorhofflimmern (elektrisches „Remodeling“) kann neue therapeutische Ansatzpunkte liefern. Im Rahmen dieser Studie aus der Elektrophysiologie und Rhythmologie wurde in Zusammenarbeit mit der Klinik für Herzchirurgie Heidelberg, dem Institut für Pharmakologie der Universitätsklinik Essen und weiteren Partnern an insgesamt 122 Patienten das elektrische Ionenkanal-Remodeling analysiert.

Der K2P3.1 Kanal wies in der Sinusrhythmusgruppe im Vergleich aller K2P Kanäle die höchsten Expressionslevel auf. Während paroxysmales Vorhofflimmern keine Veränderung hervorrief, lag in der Patientengruppe mit chronischem Vorhofflimmern eine deutliche Steigerung der K2P3.1 Expression um 60% vor. Patch-Clamp-Untersuchungen an isolierten atrialen Kardiomyozyten von Patienten mit chronischem Vorhofflimmern bestätigten eine dreifache Erhöhung des K2P3.1 Stromes.

Die Hochregulation des repolarisierenden K2P3.1 Kanals war mit einer Verkürzung der atrialen Aktionspotentialdauer (APD) um 43% assoziiert. Die Verkürzung der atrialen Refraktärzeit ist bei Patienten mit chronischem Vorhofflimmerns eine Grundvoraussetzung für elektrisches Reentry (Wiedereintrittserregungsleitung) und für die Aufrechterhaltung der Arrhythmie.

EKG und Aktionspotential

Das Elektrokardiogramm (EKG) ist ein wichtiges diagnostisches Werkzeug, um die elektrische Aktivität des Herzens zu beurteilen. Es zeichnet die elektrischen Ströme auf, die während der Depolarisation und Repolarisation der Herzmuskelzellen entstehen.

Grundlagen des EKGs

Das Aktionspotential besteht aus einer Depolarisation (Erregung) gefolgt von einer Repolarisation (Erholung). Das Aktionspotential tritt in allen Herzzellen auf, sein Aussehen variiert jedoch je nach Zelltyp. Während der De- und Repolarisation fließen Ionen (Na+ [Natrium], K+ [Kalium] und Ca2+ [Calcium]) über die Zellmembran hin und her. Da Ionen elektrisch geladen sind, erzeugt ihre Bewegung einen elektrischen Strom. Alle Gewebe und Flüssigkeiten, die das Herz umgeben, enthalten Ionen, was bedeutet, dass sie als elektrische Leiter wirken können. Folglich werden die im Myokard erzeugten elektrischen Ströme bis zur Haut übertragen, wo sie durch Elektroden abgeleitet werden können. Der Elektrokardiograph (EKG-Gerät) zeichnet diese elektrischen Ströme auf und stellt sie als Elektrokardiogramm (EKG) dar.

Die klassische EKG-Kurve

Die erste Auslenkung der Kurve (fortan Welle genannt) ist die P-Welle, die der Erregung (Depolarisation) der Vorhöfe entspricht. Die Repolarisation der Vorhöfe ist normalerweise nicht sichtbar, da sie zeitlich mit der Erregung (Depolarisation) der Ventrikel zusammenfällt, die wesentlich größere elektrische Potentiale erzeugt und daher überwiegt. Die ventrikuläre Depolarisation ist als QRS-Komplex sichtbar. Der QRS-Komplex besteht aus drei Zacken: Q, R und S. Die T-Welle repräsentiert die schnelle Repolarisationsphase (Phase 2).

Zusammenhang zwischen EKG und Aktionspotentialphasen

Die verschiedenen Phasen des Aktionspotentials spiegeln sich in den Wellen und Komplexen des EKGs wider:

• P-Welle: Vorhoferregung (Depolarisation)
• QRS-Komplex: Kammererregung (Depolarisation)
• T-Welle: Kammererholung (Repolarisation)

Klinische Bedeutung des EKGs

Das EKG ist ein wichtiges Instrument zur Diagnose von Herzrhythmusstörungen, ischämischen Herzerkrankungen und anderen Herzerkrankungen. Veränderungen in der Form, Dauer oder Amplitude der EKG-Wellen können auf Störungen der elektrischen Aktivität des Herzens hinweisen.

Kaliumkanäle im Medizinstudium

Kaliumkanäle sind von entscheidender Bedeutung in der medizinischen Wissenschaft, da sie in vielen physiologischen Prozessen eine zentrale Rolle spielen. Besonders in der Kardiologie, Neurologie und Pharmakologie sind sie von großem Interesse. In der Medizinausbildung wird das Verständnis der Kaliumkanäle und ihrer Funktionalität gründlich behandelt.

Ausbildungsschwerpunkte zu Kaliumkanälen

Die Rolle der Kaliumkanäle wird in vielen Bereichen der Medizin erforscht und gelehrt. Studenten lernen darüber:

• Elektrophysiologie: Die Bedeutung von Kaliumkanälen für die elektrische Aktivität von Zellen.
• Pharmakologie: Wie Medikamente auf Kaliumkanäle abzielen, um Krankheiten zu behandeln.
• Pathologie: Die Auswirkungen von Defekten oder Mutationen in Kaliumkanälen auf die Gesundheit.

Dieses Wissen ist unerlässlich für das Verständnis vieler kardiovaskulärer und neurologischer Erkrankungen.

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