Aktionspotential der Herzmuskelzelle: Physiologie und Bedeutung

Das Aktionspotential ist ein grundlegender physiologischer Prozess, der nicht nur in Nervenzellen, sondern auch in Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten) eine entscheidende Rolle spielt. Im Herzen erfüllt das Aktionspotential zwei Hauptfunktionen: die Weiterleitung elektrischer Signale und die Auslösung der Muskelkontraktion.

Grundlagen des Aktionspotentials

Das Aktionspotential beschreibt die vorübergehende Änderung des Membranpotentials einer Zelle. Es ist essenziell für die Erregungsleitung und somit für die schnelle Informationsübertragung im Körper.

Membranpotential und Ruhepotential

Das Membranpotential ist die elektrische Spannung, die über der Zellmembran besteht. Im Ruhezustand, auch Ruhepotential genannt, beträgt diese Spannung in Herzmuskelzellen etwa -90 mV. Dieses stabile Ruhepotential wird durch Kaliumkanäle (Kir-Kanäle) aufrechterhalten, die einen stetigen Ausstrom von Kaliumionen aus der Zelle ermöglichen. Die unterschiedliche Ionenverteilung innerhalb und außerhalb der Zelle ist eine notwendige Voraussetzung für das Ruhemembranpotential (RMP) und das Aktionspotential (AP). Intrazellulär ist die Konzentration von Kalium hoch, während die Konzentration von freiem Calcium und Natrium niedrig ist. Extrazellulär ist es genau umgekehrt.

Alles-oder-Nichts-Gesetz

Ein Aktionspotential folgt dem Alles-oder-Nichts-Gesetz. Das bedeutet, dass ein Aktionspotential entweder in voller Größe abläuft oder gar nicht auftritt, abhängig davon, ob ein Schwellenwert überschritten wird oder nicht. Ein zu schwacher Reiz erreicht nicht den Schwellenwert, aber ein stärkerer Reiz kann kein größeres Aktionspotential auslösen. Sobald der Schwellenwert erreicht ist, läuft das Aktionspotential immer gleich ab.

Phasen des Aktionspotentials

Der Verlauf eines Aktionspotentials lässt sich in verschiedene Phasen einteilen:

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1. Ruhephase (Phase 4): In dieser Phase ist das Membranpotential stabil bei etwa -90 mV. Kaliumkanäle sind geöffnet, was einen Kaliumausstrom ermöglicht und das negative Ruhemembranpotential aufrechterhält.

2. Depolarisation (Phase 0): Ein Reiz von benachbarten Zellen depolarisiert den Myozyten. Bei der Stimulation öffnen sich Natriumkanäle, was zu einem schnellen Natriumeinstrom führt und die Zelle depolarisiert, bis zu etwa +20 mV.

3. Frühe Repolarisation (Phase 1): Eine andere Art von Kaliumkanälen öffnet sich, und ein kurzer Kaliumausstrom repolarisiert die Zelle leicht.

4. Plateauphase (Phase 2): Spannungsgesteuerte, langsame Calciumkanäle öffnen sich, wodurch Calcium in die Zelle fließt. Dieser Calciumeinstrom ist entscheidend für die Kontraktion der Herzmuskelzelle.

5. Repolarisation (Phase 3): Die Calciumkanäle schließen sich, während sich weitere Kaliumkanäle öffnen. Der Kaliumausstrom überwiegt, und das Membranpotential kehrt zum Ruhepotential zurück. Da das Schließen der Kaliumkanäle länger dauert als das der Natriumkanäle, kann es sogar zur Unterschreitung des Ruhepotentials kommen.

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Refraktärzeit

Nach dem Ablauf eines Aktionspotentials kann nicht direkt die nächste Erregung weitergeleitet werden. Es dauert eine kurze Zeit, bis die Zelle wieder erregbar ist. Diese Zeit wird als Refraktärzeit bezeichnet und ist wichtig für eine unidirektionale Reizweiterleitung. Es gibt zwei Phasen der Refraktärzeit:

• Absolute Refraktärphase: Kurz nach der Umpolarisierung können sich die Natriumkanäle vorerst gar nicht öffnen. Während der überwiegenden Dauer des Aktionspotentials ist die Myokardzelle absolut refraktär gegenüber Stimulation, was bedeutet, dass ein zusätzlicher Stimulus unabhängig von der Intensität des Reizes kein neues Aktionspotential auslösen kann.

• Relative Refraktärphase: Nach der Repolarisation wird der Schwellenwert zur Öffnung der Kanäle wieder niedriger, bis er wieder auf den Normalwert sinkt. In dieser Phase benötigt man stärkere Reize, um ein Aktionspotential auszulösen. In der 2. Hälfte der Repolarisation erholen sich die ersten Natriumkanäle von der Inaktivierung. Trifft in dieser relativen Refraktärzeit ein Reiz von außen/einem ektopen Kammerschrittmacher eine Herzmuskelzelle, sind kreisende Erregungen möglich.

Ionenkanäle und Pumpen

Für die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials und die Durchführung des Aktionspotentials sind verschiedene Ionenkanäle und -pumpen von Bedeutung:

• Spannungsgesteuerte Natriumkanäle: Öffnen sich bei Depolarisation und ermöglichen den schnellen Natriumeinstrom.
• Spannungsgesteuerte Kaliumkanäle: Öffnen sich während der Repolarisation und ermöglichen den Kaliumausstrom.
• Spannungsgesteuerte Calciumkanäle: Öffnen sich während der Plateauphase und ermöglichen den Calciumeinstrom.
• Natrium-Kalium-ATPase: Pumpt unter Energieverbrauch Natrium aus der Zelle und Kalium in die Zelle zurück, um das Ruhepotential aufrechtzuerhalten. Damit die Zelle bereit für ein neues Aktionspotential ist, muss die ursprüngliche Ionenverteilung wieder hergestellt werden.

Aktionspotential im Kardiomyozyten

Im Gegensatz zu Nervenzellen beschränken sich Kardiomyozyten nicht auf die reine Weiterleitung von Signalen. Das Aktionspotential am Arbeitsmyokard löst auch die Kontraktion der Muskelzelle aus. Das Aktionspotential (AP) im Kardiomyozyten hat also zwei Funktionen:

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1. Signalfunktion: Weiterleitung des elektrischen Signals an andere Kardiomyozyten.
2. Auslösung der Kontraktion: Aktivierung der Herz-Muskelzellen.

Werden diese einzelnen Erregungen richtig koordiniert, so entsteht aus der Kontraktion vieler einzelner Muskelzellen ein Herzschlag, der den restlichen Körper mit Blut versorgt.

Besonderheiten des Aktionspotentials im Herzen

Das Aktionspotential im Herzen weist einige Besonderheiten auf:

• Längere Dauer: Im Vergleich zu Nervenzellen dauert das Aktionspotential im Herzen deutlich länger (ca. 200-400 ms). Dies ist hauptsächlich auf die Plateauphase zurückzuführen, die durch den Calciumeinstrom verursacht wird.
• Plateauphase: Die Plateauphase ist entscheidend für die Kontraktion der Herzmuskelzellen. Der Calciumeinstrom löst die Freisetzung von Calcium aus dem sarkoplasmatischen Retikulum aus, was zur Aktivierung der kontraktilen Proteine führt.
• Refraktärzeit: Die lange Refraktärzeit im Herzen verhindert Tetanus (Dauerkontraktion) und ermöglicht eine koordinierte Kontraktion und Entspannung des Herzens.

Erregungsleitung im Herzen

Die Erregung im Herzen beginnt im Sinusknoten, dem natürlichen Schrittmacher des Herzens. Von dort aus breitet sich die Depolarisation über die Vorhöfe zum AV-Knoten aus. Der AV-Knoten verzögert die Erregungsleitung, bevor sie über das His-Bündel und die Purkinje-Fasern auf die Ventrikel übertragen wird. Die Weiterleitung des Aktionspotentials ist möglich, da alle Herzzellen über Gap Junctions elektrisch miteinander verbunden sind. Gap Junctions sind Proteinkanäle, die die Zellmembranen benachbarter Zellen verbinden und so den Ionenfluss zwischen den Zellen ermöglichen. Das bedeutet, dass sich das Aktionspotential über Gap Junctions von einer Zelle zur anderen ausbreitet. Die Dichte der Gap Junctions innerhalb des Purkinje-Netzwerks ist sehr hoch, was die schnelle Erregungsübertragung innerhalb des Netzwerks erklärt. Die Zellen des AV-Knotens hingegen haben eine sehr geringe Dichte von Gap Junctions, was die langsame Erregungsweiterleitung durch den AV-Knoten erklärt. Die Übertragung des Aktionspotentials zwischen Arbeitsmyokardzellen ist ebenfalls langsam, weil sie nur eine geringe Dichte von Gap Junctions aufweisen.

Schrittmacherzellen

Im Herz existieren Bereiche (sog. Schrittmacher), die ohne äußere Einflüsse (d.h. autonom) elektrische Erregung erzeugen können. Die Zellen der Erregungsleitungssystems, zu dem die Schrittmacher zählen, sind selbst Herzmuskelzellen. Die Ausstattung an Enzymen und Organellen ist aber im Vergleich zu normalen Kardiomyozyten verändert: So finden sich kaum Myofibrillen, dafür reichlich Glykogen. Die Dauer der Aktionspotentiale verändert sich je nach Lage des Schrittmachers. Die Taktung der höheren Schrittmacherzentren ist schneller. Im Endeffekt sind die Aktionspotentiale im Sinusknoten länger und werden entlang des Erregungsleitungssystems bis zu den Purkinje-Fasern immer länger. Die Abwesenheit der Kir-Kanäle (Kalium-inward-rectifier Kanäle) bei Sinus- und AV-Knoten ist ursächlich, dass die langsame diastolische Depolarisation (LDD) hier besonders schnell voranschreitet. Je nachdem ob ein Schrittmacher atrial oder ventrikulär liegt, werden dort Kir-Kanäle exprimiert oder eben nicht. Funny channels reagieren auf cyclische Nukleotide. Als typisches Second-messenger Molekül des Sympathikus kann cAMP direkt mit ihnen interagieren und ↑ die Offenwahrscheinlichkeit. Das ermöglicht mehr Kationen den Membrandurchtritt und die LDD wird steiler. Die Arbeitsmyokardzellen weisen im Gegensatz zu Zellen des Sinusknotens ein echtes, also stabiles Ruhepotential auf (Phase 4), das bei -90 mV liegt. Diese Zellen müssen stimuliert werden, um in ihnen ein Aktionspotential auszulösen. Bei der Stimulation öffnen sich Natrium-(Na+)-Kanäle, die einen schnellen Natriumeinstrom bewirken und die Zelle depolarisieren. Arbeitsmyokardzellen beginnen sich einige Millisekunden nach Beginn der Depolarisation zu kontrahieren. Wenn daraufhin wieder die Repolarisation erreicht ist, beginnen sie sich nach einigen Millisekunden zu entspannen.

Elektrokardiogramm (EKG)

Die elektrischen Ströme, die während der Depolarisation und Repolarisation des Herzens entstehen, können an der Körperoberfläche abgeleitet und als Elektrokardiogramm (EKG) aufgezeichnet werden. Das EKG ist ein wichtiges diagnostisches Werkzeug zur Beurteilung der Herzfunktion.

EKG-Kurve

Die klassische EKG-Kurve besteht aus verschiedenen Wellen und Zacken, die jeweils bestimmte Phasen des Herzzyklus repräsentieren:

• P-Welle: Repräsentiert die Depolarisation der Vorhöfe. Die Depolarisation beginnt im Sinusknoten, von wo aus sie sich durch den rechten Vorhof und anschließend durch den linken Vorhof ausbreitet. Bei der Erregung des rechten Vorhofs ist der Vektor nach vorne und nach links (sowie nach unten) gerichtet. Der Vektor dreht sich nach links und etwas nach hinten, wenn die Depolarisation in Richtung des linken Vorhofs geht. Daher ist der Vorhofvektor leicht gekrümmt. Ableitung V1 erkennt den Vektor, der zunächst auf sie zusteuert, und zeigt eine positive Auslenkung, die P-Welle. V1 kann auch erfassen, dass sich der Vektor von ihr entfernt, wenn der linke Vorhof erregt wird, und das kann zu einer kleinen negativen Auslenkung am Ende der P-Welle führen.
• QRS-Komplex: Repräsentiert die Depolarisation der Ventrikel. Das Ventrikelseptum erhält über den linken Tawara-Schenkel Purkinje-Fasern, sodass die Depolarisation von der linken zur rechten Seite hin erfolgt. Der Vektor ist nach vorne und nach rechts gerichtet. Das Ventrikelseptum ist relativ schmal, weshalb V1 einen kleinen positiven Ausschlag (R-Zacke) und V5 einen kleinen negativen Ausschlag (Q-Zacke) zeigt. Die aus der Erregung der Ventrikelwand resultierenden Vektoren sind nach links und nach unten gerichtet. Der aus der Erregung des rechten Ventrikels resultierende Vektor kommt nicht zum Ausdruck, da er von dem um ein Vielfaches größeren Vektor überlagert wird, der vom linken Ventrikel erzeugt wird. Somit entspricht der Vektor bei der Erregung der Ventrikelwand tatsächlich nur dem Vektor, der vom linken Ventrikel erzeugt wird. Die Aktivierung der Ventrikelwand erfolgt vom Endokard zum Epikard. Das liegt daran, dass die Purkinje-Fasern durch das Endokard verlaufen, wo sie die Erregung auf das Arbeitsmyokard übertragen. Wie aus Abbildung 7 hervorgeht, ist der Vektor der Ventrikelwand nach links (und nach unten) gerichtet. Ableitung V5 erfasst einen sehr großen Vektor, der auf sie zu gerichtet ist, und zeigt daher eine große R-Zacke an. Der letzte Vektor stammt aus der Erregung der basalen Teile der Ventrikel. Der Vektor ist nach hinten und nach oben gerichtet. Es geht von V5 weg, sodass eine negative Zacke (S-Zacke) entsteht.
• T-Welle: Repräsentiert die Repolarisation der Ventrikel. Die T-Welle repräsentiert die schnelle Repolarisationsphase (Phase 2). Die T-Welle sollte konkordant zum QRS-Komplex sein, was bedeutet, dass sie die gleiche Richtung wie der QRS-Komplex haben sollte. Auf einen QRS-Komplex, der in Summe negativ ist (d.h. die Fläche unterhalb der isoelektrischen Linie ist größer als oberhalb), sollte eine negative T-Welle folgen, während auf einen QRS-Komplex, der in Summe positiv ist, eine positive T-Welle folgen sollte. Wenn der QRS-Komplex und die T-Welle entgegengesetzte Richtungen haben, wird dies als diskonkordante T-Welle bezeichnet.

Elektrische Vektoren

Die Auslenkungen im EKG werden durch elektrische Vektoren verursacht, die während der Depolarisation und Repolarisation des Herzens entstehen. Ein Vektor ist eine physikalische Größe, die sowohl einen Betrag als auch eine Richtung hat. Die Bewegung elektrisch geladener Teilchen erzeugt einen elektrischen Vektor. Die Depolarisation breitet sich durch das Myokard aus, ähnlich einer Wellenfront im Wasser. Zu jedem Zeitpunkt gibt es zahlreiche kleine depolarisierende Wellenfronten, die sich durch das Myokard ausbreiten. Der Durchschnitt aller einzelnen Wellenfronten stellt zu einem bestimmten Zeitpunkt den führenden elektrischen Vektor dar. Der elektrische Vektor entspricht also der durchschnittlichen Richtung der Erregung.

EKG-Ableitungen

Um die elektrischen Potentiale des Herzens zu erfassen, werden EKG-Ableitungen verwendet. Eine EKG-Ableitung besteht aus zwei Elektroden: einer positiven (explorierenden) Elektrode und einer negativen (Referenz-) Elektrode. Der Elektrokardiograph vergleicht die von der explorierenden Elektrode und der Bezugselektrode abgeleiteten elektrischen Potentiale, bildet also die Differenz. Das Gerät ist so konstruiert, dass ein Vektor, der auf die explorierende Elektrode hin gerichtet ist, eine positive Auslenkung (Welle) in der EKG-Kurve erzeugt.

Klinische Bedeutung

Das Verständnis des Aktionspotentials der Herzmuskelzelle ist entscheidend für das Verständnis verschiedener Herzerkrankungen und Arrhythmien.

Arrhythmien

Arrhythmien sind Herzrhythmusstörungen, die durch Störungen der Erregungsbildung oder -leitung im Herzen verursacht werden können. Manche Rhythmusstörungen erfordern eine elektrische Kardioversion (≈ Defibrillation d. schlagenden Herzens). Höchst wichtig ist, dass der Elektroschock nicht in die vulnerable Phase des Herzschlages fallen darf (Gefahr: Kammerflimmern). In der 2. Hälfte der Repolarisation erholen sich die ersten Natriumkanäle von der Inaktivierung. Trifft in dieser relativen Refraktärzeit ein Reiz von außen/einem ektopen Kammerschrittmacher eine Herzmuskelzelle, sind kreisende Erregungen möglich. Während der überwiegenden Dauer des Aktionspotentials ist die Myokardzelle absolut refraktär gegenüber Stimulation, was bedeutet, dass ein zusätzlicher Stimulus unabhängig von der Intensität des Reizes kein neues Aktionspotential auslösen kann. Auf die absolute Refraktärzeit folgt eine relative Refraktärzeit, in der eine starke Stimulation ein neues Aktionspotential auslösen kann. Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, fällt die relative Refraktärzeit mit der Spitze der T-Welle zusammen. Diese Phase wurde herkömmlich als eine vulnerable Phase des Herzzyklus‘ beschrieben, da eine elektrische Stimulation während der relativen Refraktärzeit ein weiteres Aktionspotential erzeugen kann, das zu potenziell lebensbedrohlichen ventrikulären Arrhythmien (Kammerflimmern) führen kann. Das ist in der klinischen Praxis gelegentlich der Fall. Der auslösende Stimulus ist typischerweise eine ventrikuläre Extrasystole (d.h. eine Extrasystole, die einem ektopen Fokus in den Ventrikeln entspringt) oder eine unangemessene Stimulation durch einen künstlichen Herzschrittmacher. Wenn eine solche ventrikuläre Depolarisation in die T-Welle fällt, wird dies als R-auf-T-Phänomen (R-on-T phenomenon) bezeichnet. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass das R-auf-T-Phänomen sehr häufig ist und das Risiko von Kammerflimmern vernachlässigbar, es sei denn, es besteht eine elektrische Instabilität in den Ventrikeln (z. B. bei akutem Myokardinfarkt).

Kardioplegie

Die absolute Refraktärzeit nutzt man, um das Herz für die OP stillzulegen. Dabei umgibt man es mit stark Kalium-haltiger Flüssigkeit (Kardioplegie-Lösung). Die Kardiomyozyten werden so dauerhaft depolarisiert und die Natriumkanäle können sich nicht von der Inaktivierung erholen → elektr.

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