Aktionspotential des Arbeitsmyokards
Wie das Aktionspotential einer Kammermuskelzelle aussieht, welche Ionenströme seine Phasen 0 bis 4 tragen und woran man es vom Schrittmacherpotential unterscheidet.
Das Wichtigste in Kürze
- Das Aktionspotential des Arbeitsmyokards hat ein stabiles Ruhepotential bei ca. −90 mV, einen steilen Aufstrich und eine lange Plateauphase.
- Phase 0 ist die schnelle Depolarisation, Phase 1 die partielle Repolarisation, Phase 2 das Plateau, Phase 3 die endgültige Repolarisation, Phase 4 das Ruhepotential.
- Phasen 0 bis 3 liegen in der Systole, Phase 4 in der Diastole.
- Den Aufstrich trägt der Einstrom über spannungsgesteuerte \(\ce{Na+}\)-Kanäle, das Plateau der \(\ce{Ca^2+}\)-Einstrom über L-Typ-Calciumkanäle bei geringem \(\ce{K+}\)-Ausstrom.
- Die Repolarisation beruht auf \(\ce{K+}\)-Ausstrom.
- Schrittmacherzellen erkennt man an der ansteigenden Grundlinie, dem flachen Aufstrich und dem fehlenden Plateau.
Worum es geht
Die Muskelzellen von Vorhof und Kammer bilden ein Aktionspotential mit einem langen Plateau. Seine Ionenkanäle sind Angriffspunkte wichtiger Arzneistoffe, etwa der Calciumkanalblocker wie Verapamil. Wer die Phasen und ihre Ionenströme kennt, versteht Herzrhythmus, EKG und Antiarrhythmika besser.
Form und Phasen
Als Arbeitsmyokard bezeichnet man die Muskelzellen von Vorhof und Kammer, die die Pumparbeit leisten. Anders als Schrittmacherzellen erregen sie sich nicht selbst. Zwischen zwei Erregungen bleibt ihr Membranpotential stabil bei etwa −90 mV. Die Natriumleitfähigkeit steigt in dieser Zeit nicht kontinuierlich an. Eine diastolische Depolarisation fehlt daher.
Erst die Erregung aus Nachbarzellen, die über Gap junctions im Erregungsleitungssystem ankommt, hebt das Potential zur Schwelle. Dann folgt ein steiler Aufstrich bis etwa +30 mV. Danach verharrt das Potential lange um 0 mV. Diese Plateauphase ist das Kennzeichen des Herzmuskels. Ein Kammer-Aktionspotential dauert so rund 300 ms, ein Nerven-Aktionspotential nur etwa 1 ms.
Die Abschnitte der Kurve werden von 0 bis 4 nummeriert. Die Zählung beginnt mit dem Aufstrich, die Ruhe erhält die letzte Nummer.
| Phase | Bezeichnung | Kennzeichen in der Kurve |
|---|---|---|
| 0 | schnelle Depolarisation | fast senkrechter Anstieg bis ca. +30 mV |
| 1 | partielle Repolarisation | kleine Kerbe direkt nach der Spitze |
| 2 | Plateau | langer, fast flacher Abschnitt um 0 mV |
| 3 | endgültige Repolarisation | Abfall zurück zur Ruhelinie |
| 4 | Ruhepotential | flache Grundlinie bei ca. −90 mV |
Im Diagramm orientiert man sich am besten am senkrechten Anstieg. Er ist immer Phase 0, alles Weitere zählt man von dort aus ab. Die lange Plateauphase erklärt auch, warum die Zelle während der Kontraktion nicht erneut erregbar ist. So kann sich der Herzmuskel nicht dauerhaft verkrampfen.
Die elektrischen Phasen lassen sich dem Herzzyklus zuordnen. Solange die Zelle depolarisiert ist, kontrahiert sie.
Phasen 0 bis 3 fallen in die Systole, Phase 4 fällt in die Diastole der Kammer. Die Zelle ist depolarisiert, solange die Kammer arbeitet, und ruht, während die Kammer sich füllt.
Ionenströme der Phasen
Jede Phase hat ihren dominierenden Ionenstrom. Die Richtung ergibt sich aus den Gradienten: \(\ce{Na+}\) und \(\ce{Ca^2+}\) strömen ein und depolarisieren, \(\ce{K+}\) strömt aus und repolarisiert.
Phase 0 und 1
In Phase 0 öffnen sich spannungsgesteuerte \(\ce{Na+}\)-Kanäle. Der schnelle \(\ce{Na+}\)-Einstrom treibt das Potential in Bruchteilen einer Millisekunde nach oben. Diese Kanäle sorgen für die steile Flanke. Der \(\ce{Ca^2+}\)-Einstrom ist dafür viel zu langsam, und ein \(\ce{K+}\)-Ausstrom würde die Zelle sogar negativer machen. Die \(\ce{Na+}\)-Kanäle inaktivieren rasch wieder. In Phase 1 strömt kurz \(\ce{K+}\) aus. Es entsteht die kleine Kerbe der partiellen Repolarisation.
Phase 2: das Plateau
Herzmuskelzellen besitzen spannungsgesteuerte Calciumkanäle, die sich bei Depolarisation öffnen.
Spannungsgesteuerter \(\ce{Ca^2+}\)-Kanal, der sich bei Depolarisation langsam öffnet und lange offen bleibt (L für long-lasting). Seine Öffnung lässt \(\ce{Ca^2+}\) in die Zelle einströmen.
Der Hauptteil dieses \(\ce{Ca^2+}\)-Einstroms fällt in Phase 2. Gleichzeitig strömt nur wenig \(\ce{K+}\) aus. Ein- und Ausstrom halten sich ungefähr die Waage, das Potential bleibt auf dem Plateau stehen. Man kann sich das wie eine Waage vorstellen, auf deren beiden Schalen etwa gleich viel Ladung liegt. Natrium trägt das Plateau nicht, denn seine schnellen Kanäle sind dann längst inaktiviert. Das einströmende Calcium löst zugleich die Kontraktion aus, mehr dazu bei der elektromechanischen Kopplung.
Phase 3 und 4
In Phase 3 schließen die L-Typ-Kanäle. Zugleich öffnen sich zunehmend \(\ce{K+}\)-Kanäle. Der wachsende \(\ce{K+}\)-Ausstrom repolarisiert die Zelle. Calcium trägt also das Plateau und nicht die Repolarisation. In Phase 4 dominiert eine hohe Kaliumleitfähigkeit. Sie hält das Potential stabil nahe −90 mV. Die \(\ce{Na+}/\ce{K+}\)-ATPase stellt die Ionengradienten wieder her.
Vergleich mit dem Schrittmacherpotential
Das Schrittmacherpotential des Sinusknotens sieht ganz anders aus. Seine Ionenströme sind dort erklärt. Hier geht es darum, beide Kurven sicher auseinanderzuhalten.
- kein stabiles Ruhepotential, sondern diastolische Depolarisation ab ca. −65 mV
- flacher Aufstrich, getragen von \(\ce{Ca^2+}\)-Einstrom über L-Typ-Kanäle
- kein Plateau, runder Gipfel
- Repolarisation durch \(\ce{K+}\)-Ausstrom
- nur Phasen 4, 0 und 3
- stabiles Ruhepotential bei ca. −90 mV
- steiler Aufstrich durch schnellen \(\ce{Na+}\)-Einstrom
- langes Plateau durch \(\ce{Ca^2+}\)-Einstrom und wenig \(\ce{K+}\)-Ausstrom
- Repolarisation durch \(\ce{K+}\)-Ausstrom
- Phasen 0 bis 4
Im Diagramm schaust du zuerst auf die Grundlinie. Steigt sie zwischen zwei Aktionspotentialen langsam an, gehört die Kurve zu einer Schrittmacherzelle. Bleibt sie flach und liegt tiefer, ist es Arbeitsmyokard. Die Steilheit des Aufstrichs bestätigt die Zuordnung. Ein senkrechter Anstieg spricht für schnelle \(\ce{Na+}\)-Kanäle, ein geneigter für Calciumkanäle. Das Plateau schließlich findet sich nur beim Arbeitsmyokard.
Danach ordnet man die Ionenströme zu. Beim Arbeitsmyokard gilt die Folge \(\ce{Na+}\), \(\ce{Ca^2+}\), \(\ce{K+}\). Beim Schrittmacher trägt dagegen \(\ce{Ca^2+}\) den Aufstrich, und die Phasen 1 und 2 fehlen. Beide Zelltypen repolarisieren durch \(\ce{K+}\)-Ausstrom.
Quiz
Aussage 1
Eine Potentialkurve mit langsam ansteigender Grundlinie, flachem Aufstrich und ohne Plateau stammt von einer Schrittmacherzelle.
Diese Merkmale kennzeichnen das Schrittmacherpotential. Arbeitsmyokard hat eine flache Grundlinie, einen steilen Aufstrich und ein Plateau.
Aussage 2
Die kleine Kerbe direkt nach der Spitze des Kammer-Aktionspotentials entspricht Phase 1, der partiellen Repolarisation.
Nach dem Aufstrich strömt kurz \(\ce{K+}\) aus. Dadurch sinkt das Potential etwas, bevor das Plateau beginnt.
Aussage 3
Das Ruhepotential in Phase 4 einer Ventrikelmyokardzelle fällt in die Systole der Kammer.
Phase 4 liegt in der Diastole. In der Systole liegen die Phasen 0 bis 3.
Aussage 4
Zellen des Arbeitsmyokards depolarisieren zwischen zwei Aktionspotentialen langsam bis zur Schwelle.
Arbeitsmyokard hat ein stabiles Ruhepotential ohne diastolische Depolarisation. Die langsame Depolarisation zeigen Schrittmacherzellen.
Aussage 5
Die Plateauphase des Arbeitsmyokards wird hauptsächlich von einem anhaltenden \(\ce{Na+}\)-Einstrom getragen.
Das Plateau beruht auf \(\ce{Ca^2+}\)-Einstrom über L-Typ-Kanäle bei geringem \(\ce{K+}\)-Ausstrom. Die schnellen \(\ce{Na+}\)-Kanäle sind dann inaktiviert.
Aussage 6
Der steile Aufstrich des Kammer-Aktionspotentials entsteht, weil sich spannungsgesteuerte \(\ce{Na+}\)-Kanäle öffnen.
Der schnelle \(\ce{Na+}\)-Einstrom in Phase 0 erzeugt die fast senkrechte Flanke.
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