Physiologie B1 Herz

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Staatsexamen Physiologie Fichas sobre Physiologie B1 Herz , creado por Mitra Shadloo el 20/12/2015.
Mitra Shadloo
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Resumen del Recurso

Pregunta Respuesta
Herz Morphologie Im mittleren Mediastinum. Beide Herzhälften werden in Atrium & Ventrikel unterteilt, durch Segelklappen getrennt. Im rechten Herz: Trikuspidalklappe. Im linken Herz: Mitralklappe (Biskuspidalklappe). Taschenklappen verschließen die Artieren während der Diastole.
Herz Funktion Liefert mechanische Energie, um Körper mit Blut zu versorgen + Blut im Lugenkreislauf mit O2 zu beladen. Pumpleistung erfolgt durch rythmischen Wechsel zwischen Kontraktion (Systole) und Erschlaffung (Diastole).
Herz Systole Herz befördert venöses Blut aus V. cava inf. & sup. durch Kontraktion des rechten Ventrikels über A. pulmonalis in den Lungenkreislauf. Das linke Herz pumpt arterielles Blut durch Kontraktion des linken Ventrikels über Aorta in den Körperkreislauf.
Herz Diastole Ventrikel werden mit Blut gefüllt. Die Aorten- & Pulmonalklappe verhindern, dass Blut aus Aorta & Truncus pulmonalis zurück in die Ventrikel fließen
Merke Herzzeitvolumen Um Druck- & Volumenverhältnisse im Kreislauf aufeinander abzustimmen, pumpen linkes & rechtes Herz/Zeit die gleiche Menge Blut (Herzzeitvolumen). Je nach Situation: In Ruhe 5 l/min bis 25 l/min
Elektrophysiologie Differenzierung der Herzmuskulatur Es gibt Zellen des Arbeitsmyokards & Erregunsbildungs-/leitungssystems
Arbeitsmyokard quergestreift, langgestreckt, verzweigte Muskelzellen bilden über die Glanzstreifen eng gekoppelte funktionelle Synzytien. Wichtige Strukturen in Glanzstreifen sind: Gap junctions & Desmosomen
Gap junctions dienen der chemischen und elektrischen Kommunikation zwischen Zellen, über diese werden Aktionspotenziale sehr schnell weitergeleitet -> gewährleistet synchrone Aktivität funktioneller Teilbereich des Myokards
Desmosomen (Macula adhaerens) halten die Zellen mechanisch zusammen
Erregungsbildungs- & leitungssystem Sinusknoten, AV-Knoten, His-Bündel, rechter & linker Kammerschenkel (Tawara- Schenkel), Purkinje-Fasern. Modifizierte Myokardzellen. Weniger T-Tubuli, kontraktile Elemente & Mito's als Arbeitsmyokard.
Ruhemembranpotenzial Was ist das? Im nicht erregten Zustand weisen Herzmuskelzellen ein durch die unterschiedlichen Membranpermea-bilitäten erzeugte unterschiedliche Verteilung von K+/Na+/Cl- im IZR & EZR ein Ruhemembranpotenzial auf
Ruhemembranpotenzial im Arbeitsmyokard Arbeitsmyokard ist hauptsächlich für K+ permeabelEigentlich - 91 mV, aber da eine geringe Na+-Leitfähigkeit besteht sind es -80 mV.
Ruhemembranpotenzial Definition Potenzialdifferenz zwischen Innen- & Außenseite der Membran im Ruhezustand einer Zelle.
Extrazelluläres Potenzial per definitionem = 0 mV Alle Zellen haben ein negatives Ruhemembranpotential.
Ionenverteilung zwischen intra- & extrazellulärem Millieu
Verschiedene Ruhemembranpotenziale Neurone: - 70 mV Skelettmuskelzellen: - 80 bis -90 mV Gliazellen: -90 mV
Entstehung des Ruhemembranpotenzials Ursache für die Entstehung sind: A) verschiedene Konzentrationen in IZR & EZR & die daraus entstehenden Konzentrationsgradienten B) die unterschiedliche Membranpermeabilität der Zelle für verschiedene Ionen
Na+/K+/ATPase erzeugt chemische Triebkraft Transportiert Na+ nach extra & K+ nach intra -> Chemische Triebkraft entsteht: Na+ will rein & K+ raus! Membran ist für K+ 20x besser permeabel: K+ diffundiert raus -> Membraninnenseite wird negativ & außen wird es positiv -> Membranpotenzial entsteht
Membranpotenzial erzeugt elektrische Triebkraft elektrische Kraft wirkt auf K+, zieht sie zurück nach Innen.
Nernst-Gleichgewicht bzw. Umkehrpotenzial Ist elektrische Kraft = chemische Kraft für K+, fließt kein Nettostrom mehr durch offene K+-Kanäle. Das Membranpotenzial, bei dem das der Fall ist = Nernst-Gleichgewicht/Umkehrpotenzial
Merke: Geöffnete Ionenkanäle... treiben das Membranpotenzial immer in Richtung des Gleichgewichtspotenzials (E) der jeweiligen Ionen.
Nernst-Gleichung: Was kann man damit berechnen? Gleichgewichtspotenzial eines Ions X bzw. das Ruhemembranpotenzial einer nur für einen Ionenart perfekt selektiven Membran kann man anhand der Nernst-Gleichung berechnen.
Goldman-Gleichung: Was kann man damit berechnen? das Ruhemembranpotenzial einer für mehrere Ionen permeablen Membran
Was sind Herzglykoside? 1 Pflanzlicher Stoff, gibt man bei chronischer Herzinssufizienz / bestimmten Tachykardien. Binden an Na+/K+/ATPase & hemmen sie -> [Na+]i steigt & [K+]i sinkt. 3-Na+/Ca2+/Antiporter funktioniert nicht mehr so gut -> mehr Ca2+ in Zellen
Was sind Herzglykoside? 2 -> Kontraktilität steigt (+ inotrop) -> erhöhte Pumpleistung -> verbesserte Zirkulation -> Herzfrequenz sinkt (- chronotrop). + hemmen Erregungsleitung am AV-Knoten (- dromotrop) -> gut für supraventrikuläre Tachykardien.
Kaliumspiegel & Herzglykoside Erhöhtes Serumkalium hemmt Herzglykoside -> senkt Affinität zu Na+/K+/ATPase. Bei Hypokaliämie: Glykoside nicht so gut vertragen -> Kontrolle des K+-Spiegels bei Behandlung mit Herzglykosiden sehr wichtig!
Herzmuskelzelle: Wie wird das Ruhemembranpotenzial stabilisiert? Durch in Ruhe aktiven K+/Strom: IKr - kompensiert Depolarisation der Zelle (Na+-Einstrom in Ruhe), Ka+-Strom aus Zelle bei leichter Depolarisation & in die Zelle bei starker Hyperpolarisation -> wird von gleichrichtenden K+Kanälen verursacht.
Mutationen in diesen Trasporter führen zu... Extrasystolen, die zu Herzrhythmusstörungen führen können.
Was kann noch zu Rhythmusstörungen führen? Hyperkaliämie & Hypokaliämie wirken auf Ruhemembranpotential - > Herzrhythmusstörungen
Ruhemembranpotential im Erregungsbildung- & Erregungsleitungssystem Den Zellen von Sinus- & AV-Knoten fehlt der IKr-Strom -> RP ist viel positiver: -60 mV + instabiler! Ermöglicht spontane Depolarisation! Die Zellen des restlichen Systems haben stabiles RP bei - 90 mV.
Erregunsbildung & Fortleitung Herz = funktionelles Synzytium. Nach "Alles oder Nichts"-Gesetz erregt: ausgehend von Erregunsbildung -> komplette Erregung aller Zellen & anschließender Kontraktion
Warum ist das Herz ein funktionelles Synzytium? Erregungsübertragung von einer Zelle zur andren über Gap Junctions in den Glanzsteifen (Disci intercalares) = hier ist Membranwiderstand niedriger -> Alle Zellen hängen zusammen -> funktionelles Synzytium
Ablauf der Errungsbildung + Fortleitung Sinus-Knoten Automatisch tätig: spontane diastolische Depolarisation der Sinusknotenzellen (Frequenz: 60-80/min) Ort: rechter Vorhof, an Einmündung V. cava sup. Erregung breitet sich über die Vorhöfe aus bis zum AV-Knoten.
Ablauf der Errungsbildung + Fortleitung AV-Knoten Auf Höhe des Vorhofseptums, an der Grenze zwischen Vorhof & Kammer - einzige leitende Struktur zwischen beiden! (bindegewebige Ventilebene isoliert sonst Vorhöfe von Kammern) (Frequenz: 40-50/min). Erregunsleitung hier sehr verzögert! (schnelles Natriumsystem fehlt)
Was ist die funktionelle Bedeutung der Verzögerung der Erregungsleitung am AV-Knoten? Kontraktion der Vorhöfe ist beendet, bevor die der Kammern beginnt. Für die diastolische Füllung der Vorhöfe durch Vorhofkontraktion ist so genug Zeit + Kammern werden von zu hohen Frequenzen aus den Vorhöfen geschützt (Vorhofflimmern wird nicht weitergeleitet).
Ablauf der Errungsbildung + Fortleitung His-Bündel Vom AV-Knoten ausgehendes His-Bündel hat wieder hohe Leitungs-geschwindigkeit -> leitet Erregung auf Kammern weiter. Läuft im Septum zur Herzpitze & teilt sich auf in rechten & linken Kammerschenkel, linker noch in vorderen & hinteren. Von dort zweigen Purkinje-Fasern ab.
Was machen Purkinje-Fasern? Was ist die Eigenfrequenz des ventrikulären Erregunsleitungssystems? Leiten Erregung auf Innenschicht des Myokards weiter. 30-40 /min
Leitungsgeschwindigkeit Eine Erregung -> Eine Kontratkion! Erregung vom Sinusknoten zu Ventrikeln braucht 150 ms. In 60 ms breitet sie sich über Kammern aus -> AP dauert 300 ms -> Erregungsausbreitung in Ventrikeln ist also zu Ende während das Gewebe noch in absoluter Refraktärzeit ist.
Hierarchie Schrittmacherzentren Alle Strukturen können spontan Impulse bilden. Normalerweise: Sinusknoten der Schrittmacher, hat die höchste Eigenfrequenz -> Sinus-rhythmus. Bei Ausfall: übernimmt AV-Knoten. Dann die Strukturen in der Kammer (His-Bündel, Tawara-Schenkel, Purkinje-Fasern)
Aktionspotenziale Warum unterscheiden sich Aktionspotenziale in den verschiedenen Strukturen im Herzen? Wegen unterschiedlichen Vorkommens von Kanalproteinen => unterschiedliche Ionenstöme. AP's haben unterschiedliche, charakteristische Formen + Längen. Letzteres wird hauptsächlich durch Anzahl K+-Kanäle beeinflusst
AP's in Sinusknoten & AV-Knoten im vergleich zum His-Bündel & Purkinje-Fasern. Kürzer als die im Arbeitsmyokard. Am Anfang geringen Anstieg & kein richtiges Plateau. Im Hisbündel und Purkinje-Fasern sehr ähnlich, steiler Anfang & ausgeprägtes Plateau. Purkinje-Fasern: sehr lange AP's => lange Refraktärzeit => Frequenzfilter für Ventrikel!
AP's im Arbeitsmyokard Hat 3 Phasen: schnelle Depolarisation mit Overshoot. Plateauphase. Repolarisation. In Vorhöfen kürzer als in Kammern. Schwellenpotenzial zum Auslösen des AP's: Depolarisation auf -65 mV.
Depolarisationsphase Initiale Depolarisation => Schwellenwert von -55 mV wird erreicht => für kurze Zeit öffnen sich schnelle spannungsgesteuerte Na+-Kanäle => treiben MP Richtung Na+-GP (+60 mV) => max. Amplitude des AP aber schon bei +30 mV (positiver Anteil des AP's = Overshoot.
Erste schnelle, kurze Repolarisation durch einen vorübergehenden K+-Auswärtsstrom verursacht & durch Cl- Einstrom unterstützt. Einwärts gerichteter Anionenstrom = elektrischer Auswärtsstrom!
Plateauphase Depolarisation => spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle werden aktiviert => langsamer Ca2+ Einstrom => wirkt Repolarisation entgegen => hält MP auf 0mV konstant => Plateau-Phase + langes AP + Herzmuskelkontraktionen entstehen !
Endgültige Repolarisation erfolgt durch spannungsaktivierte K+-Ausströme durch ultra-schnelle, schnelle & langsame K+-Kanäle. In später Repolarisationsphase tragen v. a. IK1 & IKp zum endgültigen Erreichen des Ruhepotenzials bei.
Schnelle Na+-Kanäle Treibkraft ist hoher Gradient in die Zelle für Na+ (IZ: 12 mmol/l ; EZ: 145 mmol/l) Einstrom nur 1-2 ms. Danach sind Kanäle inaktiv, bis Potenzial wieder auf ca. -50 mV sinkt.
Klinik: Long QT-Syndrom Herzrhythmusstörung. Zeit von Beginn der Ventrikelerregung bis Abschluss der Repolarisation ist verlängert. Ursache: K+-Kanaldefekte => gestörte Repolar-isation => Verlängerung des AP's im Ventrikel => erhöhtes Risiko Kammerflimmern
Aktionspotenzial
Konzentrationsunterschiede
Permeabilitäten während eines AP's
Merke Durch die Plateauphase unterscheidet sich das Aktionspotenzial in den Zellen des Arbeitsmyokards fundamental vom Aktionspotenzial in den Skelettmuskel- und Nervenzellen
Formen der Aktionspotenziale
Schematischer Zeitverlauf der de- und repolarisierenden Ströme während des kardialen Aktionspotenzials.
Adrenalin & Noradrenalin Substanzen die die Leitfähigkeit der Zellen für Ca2+ erhöhen, führen zur Zunahme der Öffnungswahrscheinlichkeit er Ca2+-Kanäle, mehr Ca2+ strömt ein, eine bessere Ca2+-Beladung des SR's => Herzkraft wird gesteigert!
Ca2+ Antagonisten Hemmen den Ca2+-Einstrom => Abnahme Öffnungswahrscheinlichkeit der Ca2+-Kanäle => Herzkraft sinkt. An glatter Muskulatur Koronararterien: Hemmung Ca2+-Einstrom => Vasodilatation. Zusammen helfen diese Effekte bei der Therapie der koronarer Herzkrankheit.
Mechanismen zur Aufrechterhaltung von Ionengradienten Na+ & K+ Die Konzentrationsverschiebungen für Na+ und K+, die nach einem AP auftreten, sind im Vergleich zu den EZ/IZ-Ionenkonz. minimal. Über längeren Zeitraum müssen die Ionenkonz. durch die Aktivität der Na+-K+-Pumpe natürlich aufrechterhalten werden.
Mechanismen zur Aufrechterhaltung von Ionengradienten Ca2+ Die freie Ca2+-Konzentration ändert sich während eines AP sehr (von 50–100 nM in den μM-Bereich) & durch die Ca2+-ATPasen den Na+-Ca2+-Austauscher wieder auf ihre Ausgangswerte gebracht: Der Na+-Gradient = treibende Kraft für sekundäraktiven Na+-Ca2+- Austauscher, transportiert Ca2+ aus der Zelle.
Welche Hauptmechanismen transportieren Ca2+ wieder aus der Zelle und warum? Ca2+-ATPasen im SR & Plasmamembran bilden mit dem Na+-Ca2+-Austauscher den wesentlichen Mechanismus, der Ca2+ aus dem Zytosol der Herzzellen entfernt, damit diese nach einer Kontraktion wieder erschlaffen können.
absolute Refraktärphase diejenige Zeit während und kurz nach einem AP, in der unabhängig von der Reizstärke in der Herzmuskelzelle kein erneutes AP ausgelöst werden kann, da die Na+-Kanäle inaktiviert sind
relative Refraktärphase schließt an die absolute Refraktärphase an und ist diejenige Zeit, in der noch nicht wieder alle Na+-Kanäle aktivierbar sind und die Reizschwelle noch erhöht ist. Während dieser Phase ausgelöste AP sind von kleinerer Amplitude und kürzerer Dauer
Natriumsystem Durch Depolarisation geöffneten schnellen Na+-Kanäle gehen innerhalb wenige ms in den geschlossen-inaktivierten Zustand über. Um wieder in den geschlossen-aktivierbaren Zustand zurückzukehren: sind negative Membranpotenziale im Rahmen der Repolarisation erforderlich
Ab welchen Membranpotenzialen... Ab einem Membranpotenzial von ca. –40 mV ist nur ein Teil der Na+-Kanäle noch refraktär (relative Refraktärzeit), ab ca. –70 mV sind die ausgelösten AP wieder normal ausgeprägt.
Wie sind die AP's in der Refraktärzeit? Wie werden sie weitergeleitet? Wie erregen sie das Arbeitsmyokard? Während der relativen Refraktärzeit ausgelöste AP mit entsprechend kleinerer Amplitude werden zwischen benachbarten Zellen nur langsam fortgeleitet und erregen das Arbeitsmyokard nur inhomogen.
Was kann eine gefährliche Folge davon sein? es können kreisende Erregungen entstehen, die wiederum zu Herzrhythmusstörungen führen können.
Kalziumsystem L-Typ & T-Typ Ca2+ Kanäle T-Typ-Ca2+-Kanäle (low-voltage-activated) öffnen schon bei geringer Depolarisation (− 50 mV) & aktivieren & inaktivieren sehr schnell. L-Typ-Ca2+- Kanäle öffnen erst bei MP positiver als − 20 mV (highvoltage-activated) und inaktivieren auch sehr viel langsamer
Wie wird das Kalziumsystem wieder aktiviert? Um das Ca2+-System wieder in den aktivierbaren Zustand zu überführen, müssen die Zellen repolarisieren. Allerdings wird dies im Vergleich zum Na+-System schon bei weniger negativen Membranpotenzialen erreicht.
Elektromechanische Koppelung Definition die Übersetzung eines an der Herzmuskelzelle ankommenden elektrischen Signals (Aktionspotenzial) in eine mechanische Aktion (Kontraktion).
Ausgangspunkt dieser Signalkaskade sind... die im transversalen tubulären System (T-Tubuli) lokalisierten L-Typ-Ca2+-Kanäle, (Dihydropyridinrezeptoren), die bei Depolarisation der Membran öffnen und Ca2+ aus dem Extrazellulärraum in das Zellinnere einströmen lassen
Das einströmende Ca2+... aktiviert wiederum Ca2+-Kanäle (Ryanodinrezeptoren, RyR2) in der Membran des sarkoplasmatischen Retikulums, über die dort gespeichertes Ca2+ ins Zytoplasma freigesetzt wird.
Diese Ca2+-induzierte Ca2+-Freisetzung... erhöht zusammen mit Einstrom von Ca2+ aus dem EZR die Ruhe-Ca2+-Konz. von 10–7 mol/l auf etwa 10–5 mol/l. Dieser Anstieg erfolgt inb wenigen ms, wobei die Ca2+-Ionen entlang ihres jeweiligen elektrochemischen Gradienten diffundieren
Analog zu den Vorgängen im Skelettmuskel... bindet Ca2+ an Troponin C und löst eine Interaktion von Aktin und Myosin aus, die den Herzmuskel kontrahieren lässt.
Die Offenwahrscheinlichkeit der L-Typ-Ca2+-Kanäle... kann über cAMP-abhängige Proteinkinase A erhöht werden. Die zelluläre Konzentration des cAMP wird über die membranständige Adenylatzyklase reguliert, die ihrerseits durch die Aktivierung von Membranrezeptoren gesteuert wird
Der wichtigste Auslöser der elektromechanischen Koppelung ist... die Erhöhung der zytosolischen Ca2+-Konz. Durch Ca2+-abhängigen Koppelung von DHPR/RyR ist für die Auslösung einer Kontraktion ez's Ca2+ erforderlich. (in der Skelettmuskulatur, ist direkte Protein-Protein-Wechselwirkung zwischen DHPR/RyR besteht)
Die Absenkung der intrazellulären Ca2+-Konzentration auf die Ausgangskonzentration... dauert länger als der Anstieg, da Ca2+ durch primär aktiven Transport über die im SR lokalisierte Ca2+-ATPase (SERCA) & eine Ca2+-ATPase im Sarkolemm (PMCA) aus dem Zytoplasma hinaus befördert werden muss + Ca2+ wird durch Na+-Ca2+-Austauscher in EZR transportiert
Die Wiederaufnahme von Ca2+... kann über die Aktivität der SERCA reguliert werden, welche durch Phospholamban (= regulatorisches Protein an der Ca2+ATPase) gehemmt wird.
Phospholamban wiederum... wird cAMP-abhängig phosphoryliert & somit inhibiert. Eine Phosphorylierung steigert demnach die Aktivität der SERCA und somit die Effektivität der Senkung der Ca2+-Konzentration im Zytoplasma => beschleunigte mechanische Relaxation des Herzmuskels
Durch die erhöhte Aktivität der SERCA... steigt die Ca2+-Konzentration im sarkoplasmatischen Retikulum, was wiederum für nachfolgende Herzzyklen positiv inotrop (Kontraktilität des Herzmuskels ↑) wirkt.
Die Kontraktionskraft des Herzmuskels kann nur... auf der subzellulären Ebene (Regulation durch Sympathikus & Para & Frank-Starling-Mechanismus) verändert werden, da anders als im Skelettmuskel keine Rekrutierung motorischer Einheiten und auch keine tetanische Aufsummierung von Einzelzuckungen erfolgen kann.
Mechanik der Herzaktion Phasen des Herzzyklus setzt sich aus Systole und Diastole zusammen, auf Diastole fällt in Ruhe ca. 2/3 der Gesamtdauer zyklus. Systole = nacheinander Anspannungs- & Austreibungsphase. Diastole = Entspannungs- und Füllungsphase
Systole Anspannungsphase Während der elektrischen Erregung der Ventrikel (QRS-Komplex) beginnen sich die Kammern zu kontrahieren. Dadurch steigt der intraventrikuläre Druck an. Sobald der Ventrikeldruck den Vorhofdruck überschreitet, schließen sich die AV-Klappen.
Systole Anspannungsphase 2 Da nun sämtliche Klappen geschlossen sind, kontrahieren sich die Ventrikel um ein konstantes Füllungsvolumen (=isovolumetrische Kontraktion), was zu einem steilen Druckanstieg führt. Man spricht deshalb auch von der isovolumetrischen Anspannungsphase.
Durch den Druckanstieg... während der Anspannungsphase wird eine potenzielle Energie aufgebaut, die in der nachfolgenden Austreibungsphase in kinetische Energie umgesetzt werden kann.
Austreibungsphase Überschreitet der Ventrikeldruck den Druck in der Ausflussbahn (Aorta und Truncus pulmonalis), öffnen sich die Taschenklappen => Austreibungsphase Da sich während der Kontraktion sowohl Druck als auch Volumen ändern = ist es eine auxotone Austreibungsphase.
Nachdem sich die Erregung über die Kammern ausgebreitet hat... kontrahiert das Myokard zunehmend, und der Ventrikeldruck steigt weiter an. Sein Maximum erreicht er allerdings erst während der T-Welle, also während bereits die ersten Herzmuskelzellen wieder repolarisiert wurden.
Das liegt daran, dass... Na+-Ca2+- Austauscher und Ca2+-ATPasen das Ca2+ nicht sofort nach der Repolarisation bereits wieder aus dem Zytosol herausgepumpt haben können.
Während der systolischen Kontraktion der Kammermuskulatur wird die Ventilebene... des Herzens herzspitzenwärts gezogen. Dadurch entsteht in den Vorhöfen ein Sog, der Blut aus den herznahen Venen in die Vorhöhe fließen lässt.
Schlagvolumen & Füllungsvolumen Pro Herzaktion werden etwa 70 (=Schlagvolumen) der ca. 130 ml Blut, die sich im linken Ventrikel befinden (=Füllungsvolumen), in den Körperkreislauf ausgeworfen. Die Stromstärke in der Aorta erreicht ihr Maximum bereits kurz nach Beginn der Austreibungsphase.
Ejektionsfraktion Das Verhältnis von Schlagvolumen zu Füllungsvolumen bezeichnet man als Ejektionsfraktion (Normalwert: Ca. 60% bzw. 0,6).
Diastole Entspannungsphase Die Erschlaffung der Herzmuskelzellen ist durch den Abfall der zytosolischen Ca2+-Konzentration (während der T-Welle) bedingt. Sinkt der Ventrikeldruck unter den Druck in der Ausflussbahn, werden die Taschenklappen wieder geschlossen (Punkt C).
Unmittelbar vor dem Schluss der Aortenklappe... ist der Blutstrom aufgrund des Druckabfalls kurzzeitig umgekehrt (sog. Reflux; entspricht dem negativen Anteil der Stromstärke-Kurve in Abb. 4.18). Dabei kommt es zu einer kleinen Druckoszillation in der Aorta
Da während der Entspannungsphase sämtliche Klappen geschlossen sind, erfolgt die Erschlaffung des Kammermyokards isovolumetrisch (Restvolumen: im Normalfall ca. 60 ml).
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Füllungsphase Sinkt der Ventrikeldruck unter den Vorhofdruck, öffnen sich die AV-Klappen (Punkt D in Abb. 4.18), und das Blut strömt von den Vorhöfen in die Kammern. Die Ventrikelfüllung ist während des ersten Drittels der Diastole am effektivsten.
Die Ventilebene, die während der Systole in Richtung Herzspitze gezogen wurde... kehrt mit zunehmender Erschlaffung des Herzens wieder in ihre Ausgangsposition zurück. Dabei stülpt sie sich passiv über das Blutvolumen und erleichtert so die Ventrikelfüllung.
Mechanismen der Ventrikelfüllung 3 Faktoren: Druckdifferenz zwischen Vorhof & Ventrikel während Füllungsphase; Am Ende der Diastole die Kontraktion der Vorhöfe, die die Druckdifferenz verstärkt; wichtig für frühe Füllung: Ventilebenenmechanismus.
Ventilebenenmechanismus Systole Das Herz verkleinert sich bei Systole um Längsachse, da Herzspitze fixiert ist, senkt sich die Ventilebene => Dehnung der Vorhöfe => Sogwirkung, mit der Blut aus der V. cava sup. & inf. gezogen wird. Gleichzeitig wird Blut in Aorta gepumpt=> dasHerz wirkt also wie Druck Saug Pumpe
Ventilebenenmechanismus Diastole In Entspannungsphase: Herz geht in Ausgangform zurück => Ventrikel stülpen sich über Blut in den Vorhöfen => Ventrikel wird gefüllt. Besonders wichtig bei hohen Herzfrequenzen, da dann die Diastolen-Dauer verkürzt wird = weniger Zeit zur Füllung (normal: Systole/Diastole 1/3) Systole bleibt fast gleich
Am Ende der Füllungsphase... kontrahieren sich die Vorhöfe, um das in ihnen enthaltene Blutvolumen vollständig in die Kammern zu pumpen. Mit ca. 10–20 % liefert die Vorhof-kontraktion nur einen geringen zusätzlichen Beitrag zur Ventrikelfüllung. Mit dem Schluss der AV-Klappen beginnt der nächste Herzzyklus.
Herztöne Die Phasen der Herzaktivität verursachen sog. Herztöne
Herzgeräusche von Verwirbelungen im Blutstrom verursacht und sind pathologisch. Diese Verwirbelungen entstehen meist aufgrund von Klappenveränderungen (Stenosen oder Insuffizienzen). Auch Shunts zwischen dem Hoch- und dem Niederdrucksystem (persistierender Ductus erzeugen Herzgeräusche.
1. HT wird durch den Schluss der AV-Klappen und die Anspannung der Ventrikel um das inkompressible Blut zu Beginn der Systole verursacht (sog. Anspannungston). relativ lang und dumpf
2. HT wird durch den Schluss der Taschenklappen zu Beginn der Diastole verursacht. kürzer und heller als der 1. HT
3. HT entsteht während der Kammerfüllung (sog. diastolischer ventrikulärer Füllungston). bei Kindern/Jugendlichen physiologisch. bei Erwachsenen Ausdruck eines diastolisch vergrößerten Füllungsvolumens, z. B. bei Herz-/ Mitralinsuffizienz. tieffrequent, leise
4. HT wird durch die Vorhofkontraktion ausgelöst (sog. Vorhofton). bei Kindern und Jugendlichen physiologisch bei Erwachsenen bei besonderer Belastung des Vorhofs bei erhöhtem Ventrikeldruck; ist relativ selten, tieffrequent leise
Laplace Gesetz Der Zusammenhang zwischen der Wandspannung K und dem Innendruck Ptm im Herzen wird quantitativ durch das Laplace Gesetz beschrieben.
Danach gilt: Der Zusammenhang zwischen der Wandspannung K und dem Innendruck Ptm im Herzen wird quantitativ durch das LaplaceGesetz beschrieben. Danach gilt: K = Ptm x r/2d Ptm = transmuraler Druck, r =Ventrikelradius und d =Wanddicke
Die Wandspannung ist die Kraft, die auf einen Wandquerschnitt einwirkt.
Der transmurale Druck ist die Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenseite der Hohlkugel.
Während der Systole wird der Ventrikelradius... kleiner und die Wanddicke nimmt zu. Entsprechend verringert sich nach dem Laplace-Gesetz die Wandspannung. Folglich können kleinere bzw. teilweise entleerte Herzen mit relativ geringem Kraftaufwand relativ hohe Drücke erzielen.
Sie arbeiten also... effektiver als übermäßig gefüllte bzw. vergrößerte Herzen
Arbeitsdiagramm des Herzens Um die Herzarbeit während eines Herzzyklus zu veranschaulichen, kann man die Druck- und Volumenänderungen in ein Druck-Volumen-Diagramm eintragen und erhält so das sog. Arbeitsdiagramm des Herzens
A–B =isovolumetrische Anspannungsph., B–C = auxotone Austreibungspha., C–D =isovolumetrische Entspannungsph. D–A = Füllungsphase.
Die Fläche, die von diesen Strecken umschrieben wird, entspricht der vom Herzen während eines Herzzyklus geleisteten Druck-Volumen-Arbeit.
Die Druck- und Volumenänderungen werden durch folgende vier Kurven repräsentiert: Ruhedehnungskurve Kurve der isovolumetrischen Maxima Kurve der isotonen (=isobaren) Maxima Kurve der Unterstützungsmaxima (UKurve).
Ruhedehnungskurve beschreibt passive Dehnungseigen. des Herzmuskels während Diastole. Mit zunehmender Dehnung der Herzmuskel-fasern => immer stärkerer Druck nötig, um Volumen des Herzens weiter zu ver-größern. Daher verläuft sie erst flach & steigt mit zunehmendem Volumen immer steiler an.
Kurve der isovolumetrischen Maxima Ausgehend von einem beliebigen Punkt der Ruhedehnungskurve kann man den maximalen Druck bestimmen, den das Herz bei konstantem Füllungsvolumen (also bei geschlossenen Herzklappen) aufbauen kann (B' in Abb. 4.20).
Kurve der isovolumetrischen Maxima Wiederholt man dies für sämtliche Punkte der Ruhedehnungskurve, erhält man die Kurve der isovolumetrischen Maxima.
CAVE Da während des Herzzyklus die isovol. Anspannungsph. bei Überschreiten des Drucks in der Ausflussbahn in die aux. Austreibungsph. übergeht , kann eine rein isovolumetrische Kontraktion zur Bestimmung der isovolumetrischen Maxima nur unter experimentellen Bedingungen durchgeführt werden.
Kurve der isotonen Maxima erhält man, indem man ausgehend von jedem Punkt der Ruhedehnungskurve das maximale Schlagvolumen bestimmt, das bei konstantem Druck ausgeworfen werden kann. A' kennzeichnet den Endpunkt einer isobaren Kontraktion.
Kurve der Unterstützungsmaxima Um die auxotone Kontraktion des Herzens im Arbeitsdiagramm darzustellen, bestimmt man zunächst ausgehend von einem Punkt auf der Ruhedehnungskurve das dazugehörige isotonische und isovolumetrische Maximum.
Kurve der Unterstützungsmaxima Die Verbindungslinie zwischen diesen beiden Punkten bezeichnet man als Kurve der Unterstützungsmaxima (Strecke A'–B'). Auf ihr liegt – in Abhängigkeit vom systolischen Blutdruck in der Ausflussbahn – der Endpunkt der auxotonen Austreibungsphase.
Einfluss der Herzfrequenz auf Ventrikelfüllung
Einfluss der Herzfrequenz auf Ventrikelfüllung
Einfluss der Herzfrequenz auf Ventrikelfüllung 1. Vorhofsystole fehlt bei Vorhofflimmern => HMV sinkt 2. bei HF > 250/min (Präexzitationssyndrome) ist Diastole zu kurz => HMV sinkt stark
Druckänderungen im linken Herz
Druckänderungen im rechten Herz
Mechanismen der Ventrikelfüllung in körperlicher Ruhe ist die Ventrikel-füllung v. a. vom Venendruck abhängig, & Vorhofkontraktion & Ventilebenenmech. tragen nur zu einem kleinen Teil zur Füllung der Ventrikel bei, ihr Anteil wird aber immer wichtiger, je höher die Herz-frequenz und je niedriger der Venendruck ist
Parameter der mechanischen Herzaktion Schlagvolumen (SV) = Enddiastolisches Volumen (EDV) – Endsystolisches Volumen (ESV) SV/EDV = Ejektionsfraktion
Druck-Volumen-Diagramm des linken Ventrikels
Systolischer Druckanstieg trotz beginnender Relaxation
Herzzyklus und EKG
Herzzyklus und EKG P-Welle QRS-Komplex die P-Welle geht der Vorhofsystole unmittelbar voraus der QRS-Komplex geht der Anspannungsphase unmittelbar voraus, wobei die R-Zacke und der Schluss der Mitralklappe praktisch zeitgleich erfolgen
Herzzyklus und EKG T-Welle das Maximum der T-Welle fällt etwa mit dem höchsten Druck im Ventrikel, das Ende der TWelle mit dem Schluss der Aortenklappe zusammen
1. Anspannungsphase Dauer: 0.05 s beide Segelklappen /Taschenklappen geschlossen, schnelle Zunahme des ventrikulären Drucks ohne Volumen-änderung (isovolumetrische Kontraktion) die Anstiegssteilheit = Maß für die Kontraktilität des Herzmuskels => verringert bei systolischer Herzinsuffizienz
2. Austreibungsphase Dauer: 0.25–0.3 s. Segelklappen geschlossen, Taschenklappen geöffnet. Druck steigt weiter an und ist ab dem Maximum konstant 2–3 mmHg niedriger als der Druck in der Aorta => am Ende kleiner Rückfluss vom Blut in den Ventrikel (<5% des Schlagvolumens) => Schluss der Taschenklappen
3. Entspannungsphase Dauer: 0.08 s. Segelklappen/ Taschen-klappen geschlossen. schnelle Abnahme des ventrikulären Drucks ohne Volumen-änderung (isovolumetrische Relaxation). verzögert bei Relaxationsstörungen (diastolische Herzinsuffizienz)
4. Füllungsphase Dauer: 0.5 – 0.67 s. Segelklappen geöffnet, Taschenklappen geschlossen. 3 Anteile: a) rasche Füllung durch Bewegung der Klappenebene (Ventilebenenmechanismus) Volumenzunahme + gleichzeitige Druckabnahme
4. Füllungsphase b) Venendruck (mittlerer Füllungsdruck) c) Vorhofkontraktion (Vorhofsystole) stark frequenzabhängig
Bestimmung des Herzzeitvolumens = Schlagvolumen x Frequenz, lässt sich mithilfe des Fick’schen Prinzips bestimmen. Dazu benötigt man folgende Messgrößen: die ins Kapillarblut aufgenommene O2-Menge (V̇ O2) und die O2-Konzentration im arteriellen (CaO2) und gemischt-venösen Blut (CvO2)
FORMEL
Q̇ = Lungendurchblutung darstellt und in etwa mit dem Herzzeitvolumen identisch ist. Daraus folgt:
zwei wichtige Unterschiede zwischen Nerven- und Herzzellen: 1. Nervenzellen haben keinen L-Typ Ca2+ Strom 2. K+ Kanäle der Herzzellen aktivieren viel langsamer => AP ist in Arbeitsmyokardzellen viel länger als in Nervenzellen (200-330 ms vs. 1-2 ms)
Aktionspotential der Arbeitsmyokardzelle
Elektromechanische Kopplung im Herzmuskel
Zeitliche Sequenz der Ca2+-Erhöhung im Kardiomyozyten während der Systole
Couplon („Ca2+-Synapse“)
Couplon („Ca2+-Synapse“)
Elektromechanische Kopplung im Myokard die Kontraktion der Arbeitsmyokardzelle wird durch folgende Schritte eingeleitet: 1) ein Aktionspotential depolarisiert die Zelle
2) spannungsabhängige L-Typ Ca2+ Kanäle in der Plasmamembran öffnen sich und führen zu einem Ca2+ Einstrom in die Zelle
3) der folgende Anstieg der zytosolischen Ca2+ Konzentration aktiviert die Freisetzung von Ca2+ aus dem sarkoplasmatischen Retikulum durch Ryanodinrezeptoren (Ca2+-induzierte Ca2+ Freisetzung)
4) Ca2+ bindet an Troponin C und gibt damit die Myosinbindungsstellen am Aktin frei
Beendigung des Anstiegs der zytosolischen Ca2+-Konzentration
Eliminierung des erhöhten zytosolischen Ca2+
Relaxation des Myokards die Relaxation der Arbeitsmyokardzelle wird durch folgende Schritte eingeleitet: 1) die spannungsabhängigen L-Typ Ca2+ Kanäle inaktivieren
2) die Ryanodinrezeptoren werden durch den Anstieg der zytosolischen Ca2+ Konzentration im millimolaren Bereich gehemmt
3) Ca2+ wird durch die SERCA2 in das sarkoplasmatische Retikulum zurückgepumpt
4) der Na+/Ca2+ Austauscher transportiert Ca2+ aus der Zelle
Zelluläre Mechanismen der myokardialen Kontraktion und Relaxation
Regulation der Pumpfunktion des Herzens
Die Leistung des Herzens muss sich sowohl an... kurzfristige Druck- und Volumenschwankungen als auch an den jeweiligen Bedarf der zu versorgenden Gewebe bei unterschiedlicher körperlicher Belastung anpassen.
Regulation des Ca2+-Stoffwechsels im SR
Störungen der Phospholambanfunktion Missense Mutation im Phospholamban-Gen (PLN-R14Del) führt zu familiärer Kardiomyopathie und Herzinsuffizienz im Alter von 40–50 Jahren Ursache ist eine Superinhibition der SERCA2 durch das mutierte PLN
Regulation des Ca2+-Stoffwechsels im SR durch Phospholamban Ph. übt tonisch inhibitorische Wirkung auf die Aktivität der SR Ca2+ Pumpe SERCA2 aus durch Phosphorylierung wird inhibitorische Wirkung des Ph. gehemmt (Hemmung der Hemmung) => dadurch wird die Beladung des SR mit Ca2+ erhöht
Frank-Starling-Mechanismus Über den sog. Frank-Starling-Mechanismus ist das Herz in der Lage, seine Tätigkeit kurzfristig sowohl an ein erhöhtes enddiastolisches Füllungs-volumen (→erhöhte Vorlast) als auch an einen erhöhten mittleren Aortendruck (→erhöhte Nachlast) anzupassen.
Frank-Starling-Mechanismus „mehr rein – mehr raus“ „weniger rein – weniger raus“ Beschreibung der Abhängigkeit der Kontraktionskraft des Herzens von der Vordehnung des Ventrikels
Erhöhung der Vorlast erhöhter venöser Rückstrom (z. B. aufgrund starker Muskelaktivität) => mehr Blut in den rechten Ventrikel=> enddiastolische Füllungsvolumen im linken Ventrikel steigt => Herz wird verstärkt vorgedehnt => Erhöhung der Vorlast
„mehr rein – mehr raus“ Blutvolumen steigt => Füllungsdruck im venösen System steigt => enddiastolisches Volumen steigt => Inotropie steigt
Im Arbeitsdiagramm verschiebt sich dadurch der Punkt A = Ende der Füllungsph. bzw. Beginn Anspannungsph. markiert, nach rechts. Zeichnet man nun ausgehend von Ax das AD, erkennt man: durch Anstieg der Vorlast verschiebt sich der Zyklus nach rechts. Schlagvolumen + geleistete Druck-Volumen-Arbeit sind größer geworden.
Arbeitsdiagramm des linken Ventrikels bei gesteigerter Vorlast: Durch das im Vergleich zum Normalzustand gesteigerte enddiastolische Füllungsvolumen (Ax) wird das Herz stärker vorgedehnt, was eine Erhöhung des Schlagvolumens (SV) zur Folge hat.
Ausgelöst durch eine Erhöhung der Vorlast kann das Herz sein Schlagvolumen so weit steigern (= Frank-Starling-Mechanismus), dass venöser Rückstrom und Ejektionsvolumen in ihren Mengen wieder übereinstimmen. Fazit: Wenn mehr hereinkommt, wird auch mehr herausgepumpt (SVx > SV)
Zelluläre Mechanismen des Frank-Starling-Mechanismus Die zunehmende Kraftentwicklung bei steigender Vordehnung lässt sich auf zellulärer Ebene durch... 1. Variable Überlappung der Myofila-mente 2. Änderung der Ca2+-Sensitivität ...eine veränderte Sensitivität der Myofilamente für Ca2+ erklären. Eine verstärkte Überlappung der kontraktilen Elemente spielt dabei nur eine untergeordnete Rolle.
Zelluläre Mechanismen des Frank-Starling-Mechanismus 3. Veränderung des Abstandes von Aktin und Myosin durch unterschiedliche Dehnung von Titin
Erhöhung der Nachlast Über den Frank-Starling-Mechanismus kann das Herz kompensatorisch auf einen erhöhten Auswurfwiderstand (= Nachlast bzw. afterload) reagieren.
Erhöhung der Nachlast Steigt der Mitteldruck in der Aorta => zunächst kann lediglich ein kleineres SV ausgeworfen werden => größeres Restvolumen verbleibt im Ventrikel => Im AD verschiebt sich Strecke B–C entsprechend der Druckerhöhung nach oben (→Strecke BH –CH) + U-Kurve wird schneller erreicht =>
Erhöhung der Nachlast => nächste Ventrikelfüllung mit erhöhten Restvolumens => ein erhöhtes enddiastolisches Füllungsvolumen => eine entsprechende Rechtsverschiebung des Arbeitsdiagramms => Dadurch steigt das Schlagvolumen wieder auf den ursprünglichen normalen Wert an.
Der aus einer Erhöhung der Nachlast (afterload) resultierende Anstieg... des enddiastolischen Füllungsvolumens (also Vorlast↑) führt dazu, dass trotz des erhöhten Druckniveaus normales SV befördert werden kann (= Frank-Starling-Mechanismus). HZV kann trotz steigendem Druck in der Aorta konstant gehalten werden (SVx = SV).
„weniger rein – weniger raus“ Blutvolumen sinkt => Füllungsdruck im venösen System sinkt => enddiastolisches Volumen sinkt => Inotropie sinkt
Laplace Gesetz T = Wandspannung P = Innendruck/transmuraler Druck r = Ventrikelradius h = Wanddicke
AD des linken Ventrikels bei gesteigerter Nachlast: Anstieg des Aortenmitteldrucks => Restvolumen steigt (gestricheltes Diagramm) => in der nächsten Diastole: höheres enddiast. Füllungsvolumen (Ax) => Vergrößerung des Schlagvolumens auf den ursprünglichen Wert.
Mechanische Effizienz des Frank-Starling-Mechanismus
Mechanische Effizienz des Frank-Starling-Mechanismus der Frank-Starling-Mechanismus reduziert die mechanische Effizienz der Myokardkontraktion
Physiologische Funktion des Frank-Starling-Mechanismus der Frank-Starling-Mechanismus passt die Pumpleistungen des rechten und des linken Ventrikels einander an. SV rechter Ventrikel steigt => Füllungsdruck im linken Vorhof steigt => enddiastolisches Volumen im linken Ventrikel steigt => Frank-Starling-Mechanismus => SV linker Ventrikel steigt
Einfluss des vegetativen Nervensystems auf die Herztätigkeit Vegetative Innervation des Herzens Sympathikus innerviert über die Nn. cardiaci cervicales und die Rr. cardiaci thoracici sämtliche Anteile des Herzens. Als Neurotransmitter dient v. a. Noradrenalin (NA).
Bild
positiv inotrop (= Kontraktilität des Herzens ↑) durch Erhöhung der cytop. Ca2+-Konzen. bedingt: Noradrenalin (NA) aktiviert v. a. β1- und β2-Adrenorezeptoren in der Membran Myozyten. Über Gs-Proteine => Anstieg des cAMP-Spiegels. A) cAMP-abhängige Phosphorylierung spannungs-aktivierter Ca2+-Kanäle (L-TypCa2+-Kanäle) in Herzmuskelzellmembran
Dies ermöglicht: => deren Offenwahrscheinlichkeit erhöht sich. B) die cAMP-abhängige Phosphory. von Phospholamban => Enthemmung der SR Ca2+-ATPase SERCA => Ca2+-Konzen. im SR steigt. Beim nächsten Herzzyklus wird entsprechend mehr Ca2+ freigesetzt.
positiv chronotrop (=Herzfrequenz↑) →cAMP-Spiegel↑ =>Über PKA verstärkt cAMP wiederum den Schrittmacherstrom If => Schwellenpotenzial schneller erreicht => höhere Frequenz an Aktionspotenzialen => erhöhten Überleitungsgeschwindigkeit im AV-Knoten.
positiv dromotrop (= Überleitungsgeschwindigkeit am AV-Knoten↑) →cAMP-Spiegel↑ → Offenwahrschein-lichkeit spannungsaktivierter Ca2+- Kanäle↑ =>r verstärkte Ca2+-Einstrom => schnellerer Aufstrich des Aktionspotenzials und damit zu einer erhöhten Überleitungs-geschwindigkeit im AV-Knoten.
positiv lusitrop (= Relaxationsgeschwindigkeit des Arbeitsmyokards↑) →cAMP-Spiegel↑→Phosphorylierung von Phospholamban → Enthemmung der sarkoplasmatischen Ca2+-ATPase SERCA => fördert den Rücktransport des Ca2+ ins sarkoplasmatische Retikulum und lässt die Muskelzellen dadurch schneller relaxieren.
Parasympathikus negativ inotrop (= Kontraktilität des Herzens↓) Acetylcholin (ACh) aktiviert muskarinische ACh-Rezeptoren (v. a. M2-Rezeptoren) => Über Gi-Proteine => cAMP-Spiegel gesenkt => cAMP-abhängige Phosphorylierung spannungsaktivierter Ca2+-Kanäle verhindert => Offenwahr-scheinlichkeit dieser Kanäle nimmt ab => intrazelluläre Ca2+-Konzentration sinkt.
Die negativ inotrope Wirkung des Parasympathikus kommt v. a. ... im Vorhof zum Tragen und spielt in der Kammer eine eher untergeordnete Rolle
negativ chronotrop (=Herzfrequenz↓) Aktivierung der M2-Rezeptoren durch ACh inhibiert über Gi-Proteine das cAMP-System => erniedrigt Schrittmacherstrom If => Schwellenpotenzial später erreicht => AP-Frequenz nimmt ab + βγ-UE von Gi aktiviert AcH-abhängigen K+-Kanal => Hyperpolarisation verzögert spontane dias. Depolar. + AP im Sinusknoten .
negativ dromotrop (=Überleitungsgeschwindigkeit am AV-Knoten↓) →cAMPSpiegel↓→Offenwahrscheinlichkeit spannungsaktivierter Ca2+Kanäle↓. AP-Aufstrich verlangsamt => Überleitungs-geschwindigkeit im AVKnoten nimmt ab. + βγ-Untereinheiten von Gi aktivieren Ach-abhängigen K+-Kanal => Hyperpolar. verzögert Aufstrich AP im AVKnoten & setzt Überleitungsgeschwindigkeit ab
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