Energieversorgung des Herzens und Anpassung an Belastung
Wie das Herz sich selbst mit Sauerstoff und Energie versorgt und wie es seine Leistung bei körperlicher Arbeit steigert.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Koronardurchblutung versorgt das Myokard über die Koronararterien mit Sauerstoff und Energiesubstraten.
- Der linke Ventrikel wird in der Diastole maximal durchblutet, weil die Systole seine Wandgefäße komprimiert; die Windkesselfunktion der Aorta hält den diastolischen Antriebsdruck aufrecht.
- Die Kontraktion ist ATP-abhängig, das Herz hat keine Reserven für minutenlange Arbeit und muss ATP ständig neu bilden.
- Ventrikelmyokardzellen sind mitochondrienreich und gewinnen Energie bei ausreichend Sauerstoff aerob aus freien Fettsäuren, Glucose und Lactat aus der Skelettmuskulatur.
- Bei Belastung überwiegt der Sympathikus: Herzfrequenz und Ejektionsfraktion steigen, das Herzzeitvolumen erreicht ein Mehrfaches, und vor allem die Diastole wird kürzer.
Worum es geht
Das Herz arbeitet ununterbrochen und braucht dafür ständig Sauerstoff und ATP. Wie es durchblutet wird, welche Brennstoffe es nutzt und wie es auf Belastung reagiert, erklärt auch, warum eine Angina pectoris oft gerade beim Treppensteigen auftritt.
Koronardurchblutung
Das Herz pumpt Blut für den ganzen Körper. Sich selbst versorgt es aber nicht aus den Kammern heraus. Das Myokard erhält seinen Sauerstoff über eigene Gefäße, die Koronararterien. Sie entspringen direkt oberhalb der Aortenklappe aus der Aorta.
Blutfluss durch die Herzkranzgefäße, der das Myokard mit Sauerstoff und Energiesubstraten versorgt. In Ruhe sind das etwa 5 % des Herzzeitvolumens.
Der Fluss ist nicht gleichmäßig über den Herzzyklus verteilt. In der Systole kontrahiert die Wand des linken Ventrikels. Sie presst die Gefäße in ihrem Inneren zusammen wie eine Faust einen Gartenschlauch. Der Gewebedruck in den inneren Wandschichten erreicht dabei den hohen Kammerdruck. Deshalb fließt systolisch im linken Koronarsystem kaum Blut.
Erst in der Ventrikeldiastole erschlafft die Muskulatur. Die Gefäße öffnen sich, und die Durchblutung des linken Ventrikels ist jetzt maximal. Der rechte Ventrikel baut nur einen niedrigen Druck auf. Seine Gefäße werden weniger komprimiert, sodass er auch in der Systole durchblutet wird.
In der Diastole ist die Aortenklappe geschlossen. Trotzdem braucht der Koronarfluss einen Antrieb. Ihn liefert die Windkesselfunktion der Aorta: Sie dehnt sich in der Systole und gibt das gespeicherte Blut in der Diastole wieder ab. So bleibt der Aortendruck auch zwischen zwei Schlägen hoch genug, um Blut in die Herzkranzgefäße zu treiben.
Energiestoffwechsel
Jede Kontraktion verbraucht ATP. Die Myosin-ATPase spaltet es im Querbrückenzyklus. Auch das Erschlaffen kostet Energie, denn Pumpen müssen \(\ce{Ca^2+}\) zurück ins sarkoplasmatische Retikulum befördern.
Große Vorräte hat das Herz dafür nicht. ATP und Kreatinphosphat reichen nur für wenige Sekunden. Für eine mehrminütige Tätigkeit ohne Neusynthese gibt es keine Reserven. Das Herz muss sein ATP also ständig neu bilden, Schlag für Schlag.
Das gelingt nur mit genügend Sauerstoff. Bei ausreichender Versorgung gewinnt das Myokard seine Energie aerob über die Atmungskette. Dazu passt der Bau der Zellen: Ventrikelmyokardzellen enthalten zahlreiche Mitochondrien, sie füllen rund ein Drittel des Zellvolumens. Anaerob kann das Herz nur kurz und wenig ATP bilden. Schon in Ruhe entnimmt es dem Koronarblut etwa 70 % des Sauerstoffs. Mehr Bedarf lässt sich deshalb fast nur über mehr Durchblutung decken.
Als Brennstoff ist das Myokard ein Allesverwerter. Es nutzt, was das Blut gerade anbietet:
| Substrat | Herkunft | Weg zu Acetyl-CoA | Bedeutung |
|---|---|---|---|
| freie Fettsäuren | Lipolyse im Fettgewebe, an Albumin transportiert | β-Oxidation | Hauptsubstrat in Ruhe |
| Glucose | Blut | Glykolyse zu Pyruvat | v. a. nach kohlenhydratreicher Mahlzeit |
| Lactat | arbeitende Skelettmuskulatur | LDH oxidiert zu Pyruvat | wichtig bei starker körperlicher Arbeit |
Bei schwerer Arbeit bildet die Skelettmuskulatur anaerob viel Lactat und gibt es ins Blut ab. Das Herz nimmt es auf und oxidiert es mit der Lactatdehydrogenase zu Pyruvat:
\[\ce{CH3CH(OH)COO- + NAD+ -> CH3COCOO- + NADH + H+}\]
Was für den Skelettmuskel ein Abfallprodukt ist, wird so im Herzen zum Brennstoff. Alle drei Wege münden in Acetyl-CoA, Citratzyklus und Atmungskette, wie die Abbildung zeigt.
Anpassung an Belastung
Bei körperlicher Belastung überwiegt am Herzen die Wirkung des Sympathikus gegenüber dem Parasympathikus. Noradrenalin wirkt über \(\beta_1\)-Rezeptoren. Am Sinusknoten beschleunigt es das Schrittmacherpotential, die Herzfrequenz nimmt zu. Am Arbeitsmyokard steigert es die Kontraktionskraft. Die Kammer wirft deshalb einen größeren Anteil ihres Füllvolumens aus, die Ejektionsfraktion steigt.
Beides zusammen hebt das Herzzeitvolumen (HZV), also das Produkt aus Herzfrequenz (HF) und Schlagvolumen (SV):
\[\text{HZV} = \text{HF} \cdot \text{SV}\]
In Ruhe ergeben 70/min · 0,07 L etwa 4,9 L/min. Unter Belastung liefern 170/min · 0,11 L rund 18,7 L/min. Das HZV kann also auf ein Mehrfaches ansteigen, hier fast auf das Vierfache.
Mit steigender Frequenz wird jeder Herzzyklus kürzer. Bei 60/min dauert er 1 s, bei 180/min nur noch 0,33 s. Diese Zeit geht vor allem der Diastole verloren, sie wird stark verkürzt. Die Systole wird ebenfalls kürzer, aber nur wenig, weil der Sympathikus Kontraktion und Erschlaffung beschleunigt.
Unter Belastung werden beide Phasen kürzer. Die Diastole verliert dabei deutlich mehr Zeit als die Systole.
Hier schließt sich der Kreis zur Koronardurchblutung. Ausgerechnet bei höchstem Sauerstoffbedarf bleibt dem linken Ventrikel weniger diastolische Zeit zur Durchblutung. Gesunde Koronarien gleichen das durch Erweiterung aus, und der Fluss pro Minute steigt trotzdem. Sind sie verengt, reicht das nicht, und es entsteht ein Sauerstoffmangel im Myokard.
Quiz
Aussage 1
Die ATP-Vorräte des Herzmuskels reichen aus, um die Herztätigkeit einige Minuten ohne ATP-Neusynthese fortzusetzen.
ATP und Kreatinphosphat reichen nur für Sekunden. Das Herz muss ATP ständig neu bilden.
Aussage 2
Die Windkesselfunktion der Aorta sorgt dafür, dass während der Ventrikeldiastole weiter Blut in die Herzkranzgefäße fließt.
Die in der Systole gedehnte Aorta gibt ihr gespeichertes Volumen in der Diastole ab und hält so den Druck für den Koronarfluss aufrecht.
Aussage 3
Ventrikelmyokardzellen enthalten viele Mitochondrien und gewinnen bei ausreichender Sauerstoffversorgung ihre Energie aerob.
Mitochondrien füllen etwa ein Drittel des Zellvolumens; die ATP-Bildung läuft über Citratzyklus und Atmungskette.
Aussage 4
Steigt unter Belastung die Herzfrequenz, bleibt die Dauer der Systole unverändert und nur die Diastole wird kürzer.
Beide Phasen verkürzen sich. Die Diastole verliert deutlich mehr Zeit, die Systole wird aber ebenfalls etwas kürzer.
Aussage 5
Bei starker körperlicher Arbeit kann das Herz Lactat, das die Skelettmuskulatur gebildet hat, zur Energiegewinnung oxidieren.
Die Lactatdehydrogenase oxidiert Lactat zu Pyruvat, das über Acetyl-CoA aerob verwertet wird.
Aussage 6
Der linke Ventrikel wird während der Systole am stärksten über die Koronararterien durchblutet.
In der Systole komprimiert die kontrahierende Wand die Gefäße. Maximal ist die Durchblutung des linken Ventrikels in der Diastole.
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