Tomasz H. Wierzba

Elektrofizjogiczne uwarunkowania czynności serca

23-II-2012

Hard Heart

1. Dee Unglaub Silverthorn – Human Physiology; Pearson Int. 2007; 2. Ole H. Petersen: Human Physiology, Lecture Notes; Blackwell 2007; 3. A.C. Gyuton & J.E. Hall: Textbook of Medical Physiology; Elsevier, 2006; 4. W.F. Boron & E.L. Boulpaep: Medical Physiology, Elsevier, Saunders, 2005; 5. L.S.Constanzo Physiology, Lippincott Willains and Wilkins, 2007; 6. Sabyasachi Sircar: Principles of Medical Physiology, Thieme, 2008; 7. S.J. Konturek (red.) Fizjologia człowieka, Urban & Partner, 2007; 8. J. Górski (red.) Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego, PZWL 2006; 9. W.Z. Traczyk, A. Trzebski (red.): Fizjologia człowieka z elementami fizjologii stosowanej i klinicznej, PZWL, 2001

Pompa sodowo-potasowa – umożliwia ruch jonów w poprzek błony wbrew gradientowi stężeń

Geneza potencjału spoczynkowego

Potencjał równowagi dla danego jonu →

Potencjał równowagi dla danego jonu

Przeciętnie:

Na+ + 60 mV

K+ - 90 mV

Cl- - 90 mV

Równanie Nernsta-Goldmana (opisane także niezależnie przez: Hodgkina i Katza)

in

exK K

KE log5,61

in

exFZRT

x X

XE log

in

exx X

XkE log

Potencjał błonowy

[mV]

Czas

- 70

- 55

0

Potencjał błonowy

[mV]

Czas

- 70

- 55

0

Potencjał czynnościowy – zasada „wszystko albo nic” (0 lub 1)

Potencjał błonowy

[mV]

Czas

- 70

- 55

0

= Outward K+ Current

Kanały Na+

zaktywowane

Zmiana konfiguracji kanałów Na+

iNa+

iCa++

Fizjologiczna aktywacja mięśnia sercowego

Ca2+

Transverse Tubule

Sarcolemma

AChRs

Neuromuscular Junction

Troponin

Tropomyosin

Actin

Myosin

RyR

DHPR

Action Potential

Sarcoplasmic Reticulum Ca2+

DHPR tworzą kanały wapniowe należące do typu, które są kanałami potencjało-zależnymi, tzn. otwierają się przy przekroczeniu poziomu depolaryzacji progowej

W komórkach mięśnia sercowego DHPR nie są mechanicznie sprzężone z RYR.

Analogicznie do mięśni szkieletowych, aktywacja DHPR powoduje napływ Ca2+

do komórki, w obrębie triady. Lokalny wzrost Ca2+ powoduje otwarcie RYR i

wypływ Ca2+ z SR.

Ten mechanizm sprzężenia zwrotnego dodatniego z udziałem Ca2+ jest

określany mianem CIRC (Calcium Induced Calcium Release)

DHPR – receptory dihydropirydynowe

Aktywator – depolaryzacjaInhibitor - dihydropirydyna

“szybki kanał sodowy - iNa+

Otwarcie kanału Na+ w fazie 0

Faza 1

• Dokoczenie inaktywacji kanału of Na+

• Przejściowy zewnątrzkomórkowy prąd K+

prąd Na+

Na+ current ends

Outward K+ current

Udział jonów Na+ i K+ w Fazie 0 i Fazie 1 Udział jonów Na+ i K+ w Fazie 0 i Fazie 1

Faza 2 (Plateau)

• Wolny kanał wapniowy (kanał Ca++ typu L)

równoważony przez

:• Odśrodkowy prąd K+

-80 mV

+60 mV

Faza 0(INa)

Faza 2 (ICa, IKs, IKr)

Faza 1(Ito K kanał)

Faza 4 (IK1)

Faza 4 – potencjał spoczynkowy

Faza 3 (IKs, IKr)

Podstawowe rodzaje prądów potencjału czynnościowego

komórek roboczych mięśnia sercowego

-80 mV

+60 mV

Faza 0(SCN5A)

Faza 2 (CACNA1C, IKs, IKr)

Phase 1(KCND)

Faza 4 (KCNJ1)

Phase 4 (diastole)

Faza 3 (KCNQ1+KCNE1), KCNH2(HERG)+ KCNE2?)

Currents that underlie the Cardiac Action Potential (AP)

Contribution of

Ion channels that underlie the cardiac

AP

Prądyhiperpolaryzującelub repolaryzujące

Prądydepolaryzujące

Currents in the heart

Purpose of currents

Fizjologiczna aktywacja mięśnia sercowego

Ca2+

Transverse Tubule

Sarcolemma

AChRs

Neuromuscular Junction

Troponin

Tropomyosin

Actin

Myosin

RyR

DHPR

Action Potential

Sarcoplasmic Reticulum Ca2+

Na+

K+

Na+

Ca++

Na+

NCXATP-aza

Potencjał równowagi dla danego jonu

Równanie Nernsta-Goldmana (opisane także niezależnie przez: Hodgkina i Katza)

)log(logex

in

in

exNCX Ca

Ca

Na

NakE

in

exFZRT

x X

XE log

Basic Electrophysiology Excitation- Contraction Coupling

Regulation of Intracellular Calcium

Ca++ na zewn.

Na+ In

Cell

ECFNadmiar Ca++ wskutek CIRC

Nadmiar Ca++ wskutek oddysocjowania Ca++ od kompleksu aktyna-miozyna

NCX – wymiennik Na+/Ca++

Kanały wapniowe, wymienniki jonowe

Heterogenność sercowych potencjałów czynnościowych

Zestawienie: potencjał czynnościowy komórek rozrusznika I-rzędowego i mięśnia roboczego komór

Ik+ - przykład prądu jonowego aktywowanego depolaryzacją

If – (f –funny) – dośrodkowy prąd głównie Na+ z dodatkiem (20%) K+ - prąd aktywowany przez hiperpolaryzację.

Nie działa szybki prąd sodowy

Szybki prąd sodowy i wolny prąd wapniowy

Ik+ - przykład prądu jonowego aktywowanego depolaryzacją

If – (f –funny) – dośrodkowy prąd głównie Na+ z dodatkiem (20%) K+ - prąd aktywowany przez hiperpolaryzację.

Mechanizmy prepotencjału – powolnej (samoistnej) depolaryzacji spoczynkowej komórek rozrusznikowych

Punkt odniesienia: potencjał równowagi dla danego jonu

1. Zamknięcie kanałów potasowych (w fazie 0 i 1 kanały K, które zwykle są otwarte powoli zamykają się – wpływ depolaryzacji; Zatem: mniej jonów K+ opuszcza komórkę = mniej kationów opuszcza komórkę → tendencja do zmniejszenia potencjału (depolaryzacji) komórki (przy równocześnie aktywnych innych prądach tła)

2. If – prąd aktywowany hiperpolaryzacją pod koniec fazy 3: dokomórkowy napływ jonów Na+ i (konwekcyjnie) K+

Skutek: depolaryzacja. Przede wszystkim włókna Purkynjego, ale także komórki rozrusznikowe węzła zatokowego i p-k.

3. Odkomórkowy prąd chlorkowy – występuje w niektórych komórkach, ale wydaje się mieć znaczenie marginalne

4. Dokomórkowy prąd wapniowy – teoretycznie może wywoływać depolaryzację, ale nie stwierdzono, żeby otwarcie błonowych kanałów wapniowych w znaczącym stopniu uczestniczyło w powolnej spoczynkowej depolaryzacji

Potencjał czynnościowy komórek rozrusznikowych

• Faza 0• Faza 2

– b krótka, trudna do wyróżnienia

• Faza 3 • Faza 4

• Brak Fazy 1

4

0

3

2

• Depolarization głownie przez napływ Ca++

Prądy jonowe - potencjału czynnościowego

komórek węzłów SA i AV

Kationy z sąsiadujących komórek

Ca++ channels activated

napływ K+ powoduje repolaryzację

Ca++ channel recovery

Relative Refractory Period

Okresy refrakcji bezwzględnej (ERP) i względnej (RRP)

Faza 4Faza 4

Faz

a 0

Faz

a 0

Faza 1Faza 1

Faza 2Faza 2

Faz

a 3

Faz

a 3

Szybko narastający potencjał czynnościowySzybko narastający potencjał czynnościowy

K+K+

Na+Na+

Ca2+Ca2+

Czas (sek)Czas (sek)

0,150,1500 0,300,30

Wolno narastający potencjał czynnościowyWolno narastający potencjał czynnościowy

Faza 4Faza 4

Na+Na+

K+K+

Ca2+Ca2+

00 0,150,15 0,300,30

-100-100

00

-50-50

Kom

órk

ow

y po

ten

cjał

czy

nno

ścio

wy

(mV

) K

omó

rko

wy

pote

ncj

ał c

zyn

nośc

iow

y (m

V)

Wzg

lęd

na

prz

epu

szcz

aln

ość

bł

on

y ko

mó

rkow

ej

Wzg

lęd

na

prz

epu

szcz

aln

ość

bł

on

y ko

mó

rkow

ej

10,010,0

1,01,0

0,10,1

-80

Czas (sek)Czas (sek)

SERCE - POTENCJAŁY CZYNNOŚCIOWE SERCE - POTENCJAŁY CZYNNOŚCIOWE

-100-100

00

-50-50

Kom

órk

ow

y po

ten

cjał

czy

nno

ścio

wy

(mV

) K

omó

rko

wy

pote

ncj

ał c

zyn

nośc

iow

y (m

V)

Wzg

lęd

na

prz

epu

szcz

aln

ość

bł

on

y ko

mó

rkow

ej

Wzg

lęd

na

prz

epu

szcz

aln

ość

bł

on

y ko

mó

rkow

ej

10,010,0

1,01,0

0,10,1

-80

0

12

3

4

Potencjał czynnościowy

Skurcz mięśnia

-90

+30

0

mV

100%

0

ORB ORW

czas

ORC

Faza 0 – depolaryzacja

Faza 1 – repolaryzacja wstępna

Faza 2 – plateau potencjału

Faza 3 – końcowa repolaryzacja

Faza 4 – wyjściowy potencjał spoczynkowy

ORB – okres refrakcji bezwzględnej

ORW – okres refrakcji względnej

ORC– okres refrakcji czynnościowej

SERCE - POTENCJAŁY CZYNNOŚCIOWE SERCE - POTENCJAŁY CZYNNOŚCIOWE

Electrical system of the heart

Atrioventricular node

3 possible Pacemakers – Primary – Sinoatrial node, Secondary – Atrioventricular nodeTertiary – Purkinje fibers

Własny rytm rozrusznikowy:

• ROZRUSZNIK PIERWSZORZĘDOWYWęzeł zatokowy = 60 – 90/min

• ROZRUSZNIK DRUGORZĘDOWY Węzeł przedsionkowo-komorowy = 40 – 60/min

• ROZRUSZNIKI TRZECIORZĘDOWE Włókna Purkinjego = 10 - 40/minKardiomiocyty komór serca < 30/min (5 – 30/min)

INa+

rapiddepolarizing(non-nodal)

IK+

repolarizing(all myocytes)

ICa+

depolarizing(nodal AP

and myocytecontraction)

If

“funny channel” or HCNPacemaker current

(activated during hyperpolarization)Hyperpolarization activated Cyclic

Nucleotide gated channel

Na+/K+

(activated during depolarization)

MAJORMYOCYTE

ION CHANNELS

Which channelis absent in SA and AV node?Absent in ventricular myocytes?

Read-Table 20-1

Electrical system of the heart

Atrioventricular node

3 possible Pacemakers – Primary – Sinoatrial node, Secondary – Atrioventricular nodeTertiary – Purkinje fibers

                                             

Włókna Purkiniego na tle typowych włókien mięśniowych w sercu.

Włókna Purkiniego są zmodyfikowanymi kardiomiocytami, które wywodzą się przede wszystkim z węzła przedsionkowo-komorowego i które rozprzestrzeniły się do obu komór. Przewodzą pobudzenie do włókien roboczych komór, zapewniając szybki i zsynchronizowany skurcz.

Włókna Purkiniego przewodzą pobudzenie niezwykle szybko – do 4 m/s.

Cell to cell communication in heart

Przewodzenie pobudzenia przez złącza ścisłe w mięśniówce serca

1. Przyczyną przepływu fali pobudzenia jest różnica potencjału (ΔVAB) pomiędzy sąsiadującymi komórkami A i B

2. W momencie pobudzenia komórki A, komórka B nie jest jeszcze pobudzona → różnica potencjałów (ΔVAB)

3. Kardiomiocyty są nieszczelne. Po aktywacji (powstaniu potencjału czynnościowego) komórki A i po przepłynięciu kationów (Ca2+, Na+) przez złącza ścisłe z komórki A do komórki B, kationy te z jednej strony depolaryzują komórkę, z drugiej zaś wypływają z komórki przez otwarte kanały jonowe i wymienniki jonowe (np. Na/Ca).

Przewodzenie depolaryzacji podprogowej przez złącza ścisłe w mięśniówce serca

Jeżeli w komórce A dojdzie do depolaryzacji, która nie osiągnęła poziomu progowego dla otwarcia kanału sodowego ( np. wskutek niedotlenienia tej komórki lub otrzymania kationów z sąsiedniej komórki) to:

1. zaistnieje różnica potencjałów między tą komórką, a komórka sąsiednią.2. dojdzie do przepływu ładunku (kationy) z komórki A do komórki B, a następnie, na podobnej zasadzie z komórki B na

C, z C na D, z E na F itd.)3. Ponieważ komórka, która otrzymała kationy przez złącze ścisłe jest „nieszczelna”, część z otrzymanego ładunku

uwolni się na zewnątrz. W efekcie komórka B będzie mniej elektroujemna (mniej zdepolaryzowana) od komórki A,. Podobnie komórka C będzie mniej elektroujemna od B, D od C itd. W ten sposób pobudzenie podprogowe szerzy się w mięśniówce serca z postępującą stratą (dekrementem)

4. W efekcie jedna komórka częściowo zdepolaryzowana może spowodować heterogenność potencjału spoczynkowego w swojej okolicy.

Zgodnie z prawem Ohma przepływ prądu ( I ) jest wprost proporcjonalny do różnicy potencjałów między komórkami (ΔVAB) , a odwrotnie proporcjonalny do oporu (R) ścisłego złącza. Przy wysokim nadstrzale fazy 0 (szczyt fazy 0 znacznie elektro-dodatni), pobudzenie rozprzestrzenia się szybko i bez przeszkód w komórkach mięśnia sercowego, bo strata szybko przemieszczającego się ładunku z komórki na komórkę jest niewystarczająca, aby pobudzenie zastopować (tzn. doprowadzić do depolaryzacji poniżej poziomu wyładowań; przy dużej szybkości przewodzenia niewiele kationów zdąży opuścić kolejne komórki). Tak się dzieje, jeżeli: potencjał czynnościowy jest pierwotnie zainicjowany z poziomu wysokiego (znacznie elektroujemnego) potencjału komórki.

Jeżeli potencjał komórki jest mniejszy (komórka mniej elektroujemna) np.. wskutek niedoborów energetycznych lub pobudzenia przywspółczulnego prowadzącego do zmniejszenia szybkości przewodzenia pobudzenia z przedsionków do komór, to mogą zaistnieć warunki, w których nie wszystkie kardiomiocyty ulegną pobudzeniu (po pobudzenie szerząc się z dekrementem na pewnym odcinku zaniknie).

W efekcie: 1. kardiomiocyty w danym obszarze ściany serca stają się elektrycznie heterogenne, co stwarza warunki do powstania ognisk

bodźcotwórczych. 2. siła skurczu komory zmniejsza się, w czym udział ma niepełna synchronizacja skurczu poszczególnych kardiomiocytów