Aktionspotential der Schrittmacherzellen
Wie Sinusknotenzellen ohne stabiles Ruhepotential spontan erregt werden, welche Ionenströme das tragen und wie der Sympathikus so die Herzfrequenz steigert.
Das Wichtigste in Kürze
- Das Schrittmacherpotential ist das Aktionspotential der Sinusknotenzellen: Sie haben kein stabiles Ruhepotential, sondern depolarisieren spontan.
- Vom maximalen diastolischen Potential (um −60 mV) steigt die Membran in der diastolischen Depolarisation langsam bis zur Schwelle bei etwa −40 mV.
- Der Aufstrich ist flach, ein Plateau fehlt, anders als im Arbeitsmyokard.
- HCN-Kanäle (\(I_f\), \(\ce{Na+}\)-Einstrom) und T-Typ-Calciumkanäle (\(\ce{Ca^2+}\)-Einstrom) tragen die diastolische Depolarisation, der \(\ce{K+}\)-Ausstrom repolarisiert.
- Der Sympathikus macht die diastolische Depolarisation steiler und kürzer und steigert so die Frequenz: positiv chronotrop.
Der Taktgeber des Herzens
Das Herz schlägt auch ohne Nervenimpuls, weil Zellen im Sinusknoten sich selbst erregen. Ihr besonderes Aktionspotential erklärt, wie der Herzrhythmus entsteht und wie Sympathikus und Arzneistoffe wie Betablocker die Herzfrequenz verändern.
Verlauf des Schrittmacherpotentials
Zellen des Arbeitsmyokards ruhen bei einem stabilen Ruhepotential, bis eine Erregung von außen eintrifft. Zellen des Sinusknotens brauchen diesen Anstoß nicht. Ihr Membranpotential bleibt nie stehen. Nach jedem Aktionspotential steigt es spontan wieder an.
Das maximale diastolische Potential ist der negativste Wert, den eine Schrittmacherzelle nach der Repolarisation erreicht, im Sinusknoten um −60 mV. Von dort steigt das Potential in der diastolischen Depolarisation langsam und von selbst bis zur Schwelle an.
„Diastolisch“ heißt dieser Anstieg, weil er zwischen zwei Erregungen liegt, während das Herz erschlafft. Bei etwa −40 mV erreicht die Membran das Schwellenpotential. Nun folgt der Aufstrich. Er ist flach und an der Spitze abgerundet. Ein Plateau fehlt. Die Zelle repolarisiert direkt zurück zum maximalen diastolischen Potential, und der Zyklus beginnt von vorn.
Im Diagramm erkennen
Eine Schrittmacherkurve erkennst du an wenigen Merkmalen:
- Zwischen den Aktionspotentialen liegt keine waagerechte Linie, sondern eine schräg ansteigende Strecke: die diastolische Depolarisation.
- Ihr tiefster Punkt um −60 mV ist das maximale diastolische Potential.
- Am Übergang in den Aufstrich, bei etwa −40 mV, liegt die Schwelle.
- Der Aufstrich ist flach, die Spitze rund, ein Plateau fehlt.
Kein stabiles Ruhepotential, langsame diastolische Depolarisation, flacher Aufstrich, kein Plateau.
Stabiles Ruhepotential um −90 mV, steiler Aufstrich, ausgeprägtes Plateau (Details).
Das Schrittmacherpotential wird im Examen gerne gefragt. Achte auf den schrägen Anstieg von etwa −60 mV zur Schwelle bei etwa −40 mV, den flachen Aufstrich und das fehlende Plateau. Stabiles Ruhepotential, steiler Aufstrich und Plateau sprechen dagegen für Arbeitsmyokard.
Ionenströme
Depolarisieren kann die Membran nur, wenn positive Ladung in die Zelle fließt. Den Anfang machen HCN-Kanäle. Sie öffnen sich, sobald die Membran nach dem Aktionspotential stark negativ wird (Ionenkanäle). Durch sie strömt vor allem \(\ce{Na+}\) ein. Dieser Strom heißt \(I_f\), von „funny“, weil ihn ungewöhnlicherweise eine Hyperpolarisation aktiviert.
Später in der diastolischen Depolarisation öffnen T-Typ-Calciumkanäle. Ab der Schwelle tragen L-Typ-Calciumkanäle den Aufstrich. Weil Calciumkanäle langsamer öffnen als die schnellen Natriumkanäle des Arbeitsmyokards, bleibt der Aufstrich flach.
| Phase | Strom | Richtung |
|---|---|---|
| frühe diastolische Depolarisation | \(I_f\) über HCN-Kanäle | \(\ce{Na+}\) ein |
| späte diastolische Depolarisation | T-Typ-Calciumkanäle | \(\ce{Ca^2+}\) ein |
| Aufstrich | L-Typ-Calciumkanäle | \(\ce{Ca^2+}\) ein |
| Repolarisation | Kaliumkanäle | \(\ce{K+}\) aus |
Je mehr HCN-Kanäle offen sind, desto schneller steigt das Potential. Ihre Aktivierung verkürzt also die diastolische Depolarisation. Hier setzt die Frequenzsteuerung an.
Jedes Ion folgt seinem Gradienten (Ionenverteilung). \(\ce{Ca^2+}\) ist außen hoch konzentriert und strömt deshalb ein, nicht aus. \(\ce{K+}\) verlässt die Zelle und wirkt repolarisierend, ein \(\ce{K+}\)-Einstrom trägt die Depolarisation nicht.
Frequenzsteuerung
Die Herzfrequenz hängt davon ab, wie schnell die Schrittmacherzelle die Schwelle erreicht. Verläuft die diastolische Depolarisation steiler, ist die Schwelle früher erreicht. Das nächste Aktionspotential kommt eher, die Frequenz steigt. Man kann sich das wie einen Eimer unter einem Wasserhahn vorstellen: Je stärker der Hahn läuft, desto öfter läuft der Eimer über.
Der Sympathikus dreht diesen Hahn auf. Noradrenalin bindet an \(\beta_1\)-Rezeptoren und erhöht den cAMP-Spiegel. cAMP fördert die Öffnung der HCN-Kanäle, zudem nimmt der \(\ce{Ca^2+}\)-Einstrom zu. Die diastolische Depolarisation wird steiler und kürzer. Eine Steigerung der Aktionspotentialfrequenz im Sinusknoten heißt positiv chronotrop. Auch in den Zellen des Arbeitsmyokards erhöht der Sympathikus den \(\ce{Ca^2+}\)-Einstrom über die Plasmamembran. Der Parasympathikus flacht die diastolische Depolarisation dagegen ab und senkt die Frequenz.
Frequenzänderung ablesen
- Achse prüfen: Beide Kurven müssen dieselbe Zeitachse haben.
- Intervall messen: Abstand \(T\) zwischen zwei Spitzen in Sekunden ablesen.
- Frequenz berechnen: \(f = 60\ \text{s} / T\) ergibt Schläge pro Minute.
- Zuordnen: Steigt \(f\), ist der Effekt positiv chronotrop.
Beispiel: In Ruhe liegen 0,8 s zwischen zwei Spitzen, das ergibt 75 Schläge pro Minute. Unter Sympathikus sind es 0,5 s, also 120 Schläge pro Minute. Im Diagramm sieht man den Grund an der steileren Anstiegsphase vor jedem Aufstrich.
Quiz
Aussage 1
Eine Sinusknotenzelle erreicht nach der Repolarisation ein maximales diastolisches Potential um −60 mV und löst bei etwa −40 mV ein Aktionspotential aus.
Von etwa −60 mV steigt das Potential langsam bis zur Schwelle bei etwa −40 mV.
Aussage 2
Nimmt die Aktionspotentialfrequenz im Sinusknoten zu, spricht man von einem positiv chronotropen Effekt.
Chronotropie bezeichnet die Wirkung auf die Herzfrequenz, positiv chronotrop bedeutet Frequenzsteigerung.
Aussage 3
Ein steiler Aufstrich mit anschließendem ausgeprägtem Plateau kennzeichnet das Aktionspotential der Sinusknotenzellen.
Sinusknotenzellen haben einen flachen Aufstrich ohne Plateau. Steiler Aufstrich und Plateau gehören zum Arbeitsmyokard.
Aussage 4
Die langsame diastolische Depolarisation der Sinusknotenzellen entsteht dadurch, dass \(\ce{Ca^2+}\) die Zelle verlässt.
\(\ce{Ca^2+}\) strömt entlang seines Gradienten ein. Depolarisierend wirken Einwärtsströme von \(\ce{Na+}\) und \(\ce{Ca^2+}\).
Aussage 5
Über HCN-Kanäle strömt in der frühen diastolischen Depolarisation vor allem \(\ce{Na+}\) in die Schrittmacherzelle ein.
Dieser Strom heißt \(I_f\) und wird durch die Hyperpolarisation nach dem Aktionspotential aktiviert.
Aussage 6
Unter Sympathikuseinfluss verläuft die diastolische Depolarisation flacher, sodass die Herzfrequenz sinkt.
Der Sympathikus macht die diastolische Depolarisation steiler und kürzer. Die Schwelle wird früher erreicht, die Frequenz steigt.
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