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