66
ardiac muscle 심 심심 ; EC coupling 심 심심 ; 심 심심 ; 심심심심심 component; 심심심심심 심심 Ionic mechanism of action potentials; Cardiac Ion echanism of EKG echanical properties; Cardiac cycle utonomic control of cardiac function and the mechan athophysiology: Arrhythmias; Ischemic heart disease t failure

심장생리 1. Cardiac muscle 의 특성 ; EC coupling 의 특성 ; 활동전압의 기능 ; 활동전압의 component; 활동전압의 전도 2,3. Ionic mechanism of action potentials;

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심장생리

1. Cardiac muscle 의 특성 ; EC coupling 의 특성 ;활동전압의 기능 ; 활동전압의 component; 활동전압의 전도2,3. Ionic mechanism of action potentials; Cardiac Ion Channels;4. Mechanism of EKG 5. Mechanical properties; Cardiac cycle6. Autonomic control of cardiac function and the mechanism7. Pathophysiology: Arrhythmias; Ischemic heart disease;heart failure

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Heart as a pump

• 250 - 300 g

• 70 - 75 beat/min, 5 l/min

• automaticity

• Regulated by: - autonomic nervous system - metabolic demand

• (right) atrium: - volume receptor - endocrine organ (ANP)

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Contractility

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Microscopic structure of a cardiac myocyte

• Myofibrils: cell volume 의 1/2 차지 ; thick filament 와 thin filament 의 규칙적 배열로 sarcomere 형성 ; I-band/A-band/Z-line

• Mitochondria: cell volume 의 1/3 차지 ; aerobic metabolism using fatty acid and lactate

• Tubular System- T-tubule: extension of the surface membrane into cell interior; located at Z-line- Sarcoplasmic Reticulum: surrounding myofilament; Ca 저장고 .

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심장근의 구조적 특징- Multicellular tissue, but functional syncytium- Mechanical & electrical coupling via characteristic cell junction- gap junction in intercalated disc electrical synapse 형성

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Spontaneous Rhythm generationConductionContraction

Cardiac Function

Initiated and Regulated by Action Potentials

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Long Duration Long Refractory Period

심장근 활동전압의 특징

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Long Refractory Period No Tetanus

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수축 (Systole) : 세포내 Ca2+ 농도의 증가

이완 (Diastole) : 세포내 Ca2+ 농도의 감소

Cardiac Cycle

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심장근 흥분 - 수축 연결 (E-C coupling) 의 특징

1. 활동전압과 수축과의 시간적 관계2. 세포밖 Ca2+ 에 의존적

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활동전압과 수축과의 관계 특징

골격근

심장근

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Ca2+ source for contraction

1. Ca2+ entry : Ca2+ channel during action potential

2. Ca2+-induced Ca2+ release (CICR) :from sarcoplasmic reticulum

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Ca2+ removal during diastole

1. Reuptake to Sarcoplasmic Reticulum : Ca2+-ATPase (Ca2+ Pump)

2. Extrusion to extracellular space : Na/Ca Exchange

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C ell M em brane S arcoplasm ic R eticu lum

C a channel

N a/C a Exchange

C a R elease

C a R euptake

R E G U LATIO N O F IN TR A C E LLU LA R C A LC IU M

S R

[C a ]2 +

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심장근과 골격근의 비교

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Spontaneous Rhythm generationConductionContraction

Cardiac Function

Initiated and Regulated by Action Potentials

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Sino-Atrial Node

Atrial Track AM

Atrio-Ventricular Node

His Bundle

Purkinje fibre VM

Pacemaker and Specialized conduction system

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Specialized conduction system

Leading pacemaker site in SA node

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Atrial myocyteVentricular myocyte

15 m

Isolated cardiac myocytes

Sinoatrial node cell

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Regional difference in cardiac action potentials

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Resting or diastolic Potential (Phase 4)

Upstroke(Phase 0)

Phase of cardiac action potential

Repolarization

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Phase 4

Phase 0

Phase 1

Phase 2

Phase 3

Three phases of repolarization

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Phase 4 0

3

12

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Important Factors of Action Potential

1. Resting Membrane Potential or Spontaneous Depolarization

2. Upstroke velocity (dV/dt)

3. Duration of AP (APD)

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Resting Membrane Potential : VM, AM

Spontaneous Depolarization : SA, AV, PF

Dominent pacemaker/Latent pacemaker

Phase 4

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Phase 0: - Upstroke velocity is determined by the negativity of RMP- Upstroke velocity determines the conduction velocity

Fast Action Potential : VM, AM, PF

Slow Action Potential : SA, AV

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Action Potential Duration

APD

Related with 1. Refractory period 2. Contractile force

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Early After Depolarization (EAD)

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R epo larizationU pstroke

Pacem aker Depolarization ? ? ?

RMP-90 mV

MDP-65 mV

UpstrokeRepolarization

Ventricular AP Sinoatrial AP

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Ionic Basis of Action Potentials:

How to understand the generation of electrical signal (V)

from the characteristics of ion channels and currents (I)

I vs V

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5 0 0 m s

0

- 2 0

0

- 0 .2

2 0 0 m s

m V

n A0

- 1

2 0 0 m s

n A

- 4 0

- 4 0

- 3 0

+ 5 0- 5 0

- 9 0

Recording of action potentials and ionic currents using patch clamp technique

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-50 0 50 100 150 200 250 300 350

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

Act

ion

po

ten

tial (

mV

)

ms

Ventricular myocyte -80 mV

80 mV

-120 mV

-150 -100 -50 0 50 100

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

pA

mV

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Outward Current ;

Cause repolarization

or hyperpolarization

Cause depolarization

Inward Current:

I(Ca) I(Na/Ca)I(back)

I(Na)

I(K)I(to)I(pump)

Ionic Currents in Cardiac Myocytes

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Inward>Outward Outward>Inward

Depolarization

Repolarization

Ventricular Action Potential

Resting

Depolarizing current conducted from neighbouring cells

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Oscillation of the Balance between Inward and Outward Currents

Inward>Outward Outward>Inward

Depolarization

Repoarization

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Oscillation of the Balance between Inward and Outward Currents in Sinoatrial Node

D epolarization R epolarization

Inw ard>O utw ard O utw ard> Inw ard

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Ion Channels

Na channels

Ca channels:L-type

T-type

K channels: Inward rectifier

Delayed rectifier (rapid/slow)

Transient outward

ACh-activated

ATP-sensitive

Hyperpolarization-activated inward current

Cl channels

Electrogenic transporters Na-K pump

Na/Ca exchanger

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5 nA

10 ms

-80mV -50mV

60mV

0 100 200 300 400 500-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

pA

ms

-35 mV40 mV

-80 mV-50 mV

-60 -40 -20 0 20 40

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

pA

mV

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

pA

mV

Na current Ca current

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Na Channel 활성화 (activation) 되면 전기화학적 경사에 의해 Na 이온이 세포내로 유입되어 내향전류가 발생 .

심실근 활동전압의 빠른 upstroke ( 수십 V/s) 는 Na 통로의 활성화에 기인 : fast action potential fast conduction velocity

Na 통로는 수 ms 내에 곧 비활성화 (inactivation) 되므로 지속적으로 내향전류를 발생하지는 않음 .

비활성화 (inactivation) 의 장애 -- 재분극 지연 -- APD 증가로 인한 long QT syndrome 의 원인 .

Na channel blocker: - TTX - 복어독 - local anesthetics (lidocain, quinidine 등 ) 은 Na 통로의 비활성화를 negative 로 shift -- 부정맥 치료에도 사용 (anti-arrhythmic drug)

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Ca Channel 활성화되었을 때 Ca 이온이 세포내로 유입되며 내향전류가 발생한다 .

Na 통로에 비해 activation, inactivation 이 느림

심실근 , 심방근에서의 Ca 전류는 활동전압의 plateau 유지에 기여

동방결절이나 방실결절 같이 안정막전압이 낮아서 Na channel 은 비활성인 세포에서는 활동전압의 upstroke 에 기여 : upstroke dV/dt 느림 --- slow AP --- slow conduction

유입된 Ca 은 흥분 - 수축 연결에서 작용 : 수축의 유발 , 수축 크기 결정에 기여 .

Ca channel blocker-- inorganic blocker: Mn, Co, Ni -- organic blocker: verapamil, D-600, diltiazem, nifedipine 등 . 부정맥 , 고혈압 치료에 쓰임 .

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0 200 400 600 800 1000

-60

-40

-20

0

20

40 Density : 0.05 -> controlDensity : 1

Density : 0 B C D

0 200 400 600 800 1000-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Density : 1Density : 0.05Density : 0 B

C D

Ventricle SA node

0 200 400 600 800 1000-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

Density : 2

Density : 1

Density : 0 B C D

0 200 400 600 800 1000-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Density : 2

Density : 1

Density : 0 B C D

Contribution of INa : Simulation study

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-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

nA

1000 2000 3000 4000

-80

-60

-40

-20

0

20

40

Ac

tio

n P

oten

tia

l(m

V)

T im e(ms)

L-Ca density 0

L-Ca density 0.8

L-Ca density 1

A. SA-Node

B. Ventricle

-1.2

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

nA

0 500 1000-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Actio

n P

oten

tial(m

V)

Time(ms)

L-Ca density 0

L-Ca density 0.5

L-Ca density 1

Contribution of ICa : Simulation study

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Effect of Ca channel blocker

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K Channel

활성화되면 K 이온이 전기화학적 경사에 의해 세포외로 유출되어 외향전류가 발생되므로 , 활동전압을 재분극 시키는 역할 .

내향전류와의 balance 에 의해 action potential duration(APD) 가 결정됨 .

다양성이 특징이라 할 수 있을 정도로 종류가 많음 . - Inward rectifier (IRK, IK1) : resting membrane potential

- Transient outward (Ito): phase 1 repolarization

- Delayed rectifier : rapidly activating -- IKr

slowly activating --- IKs

- ATP-dependent K channel (KATP)

- Acetylcholine-activated K channel (KACh)

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200 400 600 800 1000 1200 1400

-6000

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

pA

ms

0

-0.2

200 ms

nA

-40 -30

+50

ICa

IKr

-70

+50

-80

Ito

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0 50 100 150 200 250

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

mV

ms

0 50 100 150 200 250

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

nA

ms-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

nA

mV

IV-curve

Transient outward K current in ventricle

-Phase 1 repolarization 에 주로 기여 .-Myocardium region 에 따라 density 가 다름 : Purkinje fiber, epicardial, midmyocardial region 에 phase 1 notch 가 prominent, endocardial region 은 less prominent.

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Epicardial cell

M cell

Endocardial cell

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0 50 100 150 200

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80 Density 0.1

Density 1

Density 5

mV

ms

0 50 100 150 200

-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.23.43.6

Density 0.1

Density 1

Density 5

mV

ms

Ventricle

Phase 1 repolarization 에 중요

Contribution of Ito : Simulation study

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0 200 400 600 800 1000

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Density : 10Density : 1Density : 0 B

C D

Ventricle

Contribution of IK : Simulation study

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0 200 400 600 800 1000

-80

-60

-40

-20

0

20

40Density : 2Density : 1.5 -> control

Density : 1 B C D

SA node

Contribution of IK : Simulation study

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0 200 400 600 800 1000

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

0 200 400 600 800 1000

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

-160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

Step pulse

Current IV - Curve

Inward rectifier K+ channel

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I-V relationship of inward rectifier K current, IK1

-Large conductance at RMP-Allow little outward current at plateau

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0 200

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Density : 5Density : 1Density : 0 B

C DVentricle

SA node

0 200 400 600 800 1000

-80

-60

-40

-20

0

20

40 Density : 1Density : 0.03 -> controlDensity : 0 B

C D

Contribution of IK1 : Simulation study

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Effect of external K concentration

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Acetylcholine-activated K current

IN Gi/o

OUTACh

m2

KACh channel

2 min

500 pA

ACh ACh

a b c d

-120 -80 -40 0 40

-2000

-1000

0

1000

I (pA)

cb

a, d

mV

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R epo larizationU pstroke

Pacem aker Depolarization ? ? ?

RMP-90 mV

MDP-65 mV

UpstrokeRepolarization

Ventricular AP Sinoatrial AP

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RMPIK1

UpstrokeINa

Ventricular AP

ICa

IK

ICa

Ito

IK and IK1

Balance betweenIK and ICa INa/Ca

IK

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5 0 0 m s

0

- 2 0

0

- 0 .2

2 0 0 m s

m V

n A0

- 1

2 0 0 m s

n A

- 4 0

- 4 0

- 3 0

+ 5 0- 5 0

- 9 0

SA node cell

Pacemaker current (If, Ih) : hyperpolarization-activated inward currents

ICa

IK

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R epo larizationU pstroke

Pacem aker Depolarization ? ? ?

MDP

Sinoatrial Node

ICaIK

IK decay, If , ICa, Ib

Ib, IK,Absence of IK1

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Ionic Currents contributing to AP

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Simulation study: contribution of each current

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Cardiac Ion Channels

Electrical properties (Resting Membrane Potential, Action Potential) 를 결정지을 뿐 아니라 , 수축의 발생 및 조절과도 밀접한 관계 .

Pathophysiology of Diseases, 또는 side effect of drug 와 관련됨 .

Target of therapeutics: Ion channel blocker, Ion channel opener 들이 부정맥 , 고혈압의 치료제로 쓰임 .

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Target of therapeutics:

Antiarrhythmic drug: Class I : Na channel blocker Class II: sympathetic blocker Class III: K channel blocker Class IV: Ca channel blocker

Antihypertensive drug: Ca channel blocker KATP channel opener