Structure and Function
Rychlá, mimovolní kontrakce a relaxace srdečního svalu jsou nezbytné pro čerpání krve v celém kardiovaskulárním systému. Aby toho bylo možné dosáhnout, má struktura srdečního svalu odlišné vlastnosti, které mu umožňují koordinovaně se stahovat a odolávat únavě.
Jednotlivá buňka srdečního svalu (kardiomyocyt) je trubicovitá struktura složená z řetězců myofibril, což jsou tyčinkovité jednotky uvnitř buňky. Myofibrily se skládají z opakujících se úseků sarkomer, které jsou základními kontraktilními jednotkami svalových buněk. Sarkomery se skládají z dlouhých bílkovin, které se uspořádávají do silných a tenkých vláken, tzv. myofilament. Tenká myofilamenta obsahují bílkovinu aktin a silná myofilamenta obsahují bílkovinu myosin. Myofilamenta se při kontrakci a relaxaci svalu vzájemně posouvají. Tento proces se aktivuje z uvolnění vápníku ze sarkoplazmatického retikula (SR) při dodání akčního potenciálu do svalu, v procesu zvaném excitačně-kontrakční vazba. Posouváním aktinu a myozinu kolem sebe dochází k tvorbě „příčných můstků“, což způsobuje kontrakci srdce a vznik síly.
Kardiomyocyty jsou obdélníkové, větvené buňky, které obvykle obsahují pouze jedno centrálně umístěné jádro. Toto uspořádání kontrastuje s buňkami kosterního svalstva, které často obsahují mnoho jader. Kardiomyocyty obsahují mnoho mitochondrií k produkci velkého množství adenosintrifosfátu (ATP) a myoglobinu k ukládání kyslíku pro potřeby svalové kontrakce.
Stejně jako u kosterního svalu vytváří uspořádání tenkých a tlustých myofilament překrývajících se v sarkoméře buňky při mikroskopickém pohledu pruhovaný vzhled. Tento charakteristický vzhled se skládá ze silných tmavě zbarvených pruhů A (tvořených převážně myozinem) s relativně světlou zónou H uprostřed a světlejších pruhů I (převážně aktin) s tmavou centrální linií Z (známou také jako disk Z) spojující aktinová vlákna.
Vnější část kardiomyocytu je obklopena plazmatickou membránou zvanou sarkolema, která funguje jako bariéra mezi extracelulárním a intracelulárním obsahem. Invaze sarkolemy do cytoplazmy kardiomyocytu se nazývají T-tubuly a obsahují četné proteiny, jako jsou vápníkové kanály typu L, sodíko-vápníkové výměníky, vápníkové ATPázy a beta-adrenergní receptory, které umožňují výměnu iontů s extracelulární tekutinou obklopující buňku. V linii Z kardiomyocytu T-tubuly sousedí se zvětšenými oblastmi sarkoplazmatického retikula známými jako terminální cisterny a kombinace jednoho T-tubulu s jednou terminální cisternou se označuje jako diadém. Toto uspořádání kontrastuje s kosterním svalem, který kombinuje 2 terminální cisterny s 1 T-tubulí a vytváří „triády“, které se objevují na spojnici A-I.
Sousední kardiomyocyty jsou na svých koncích spojeny interkalárními disky a vytvářejí syncytium srdečních buněk. V rámci interkalárního disku existují tři různé typy buněčných spojů: fascia adherens, desmosomy a gap junctions. Příčná strana interkalárních disků probíhá kolmo ke svalovým vláknům v linii Z a zajišťuje strukturální složku prostřednictvím fascia adherens a desmosomových spojení. Příčná strana disků obsahuje gap junctions, které umožňují mezibuněčnou komunikaci tím, že umožňují přesun iontů z jednoho kardiomyocytu do sousední buňky, aniž by musely být nejprve vyloučeny do extracelulárního prostoru. Nízký odpor gap junctions umožňuje rychlé šíření depolarizace po celém syncytiu, což usnadňuje rychlý přenos akčních potenciálů, které vyvolávají synchronizovanou kontrakci kardiomyocytů v jednotě.
Jedním z dalších výrazných rysů srdečních svalových vláken je, že mají svou vlastní auto-rytmicitu. Na rozdíl od hladkého nebo kosterního svalstva, které ke kontrakci potřebují nervový vstup, mají srdeční vlákna vlastní pacemakerové buňky, jako je sinoatriální (SA) uzel, který se spontánně depolarizuje. Tyto depolarizace probíhají konstantním tempem, ale pacemakerové buňky mohou také přijímat vstupy z autonomního nervového systému, aby snížily nebo zvýšily srdeční frekvenci v závislosti na požadavcích organismu.
Akční potenciál myokardu probíhá v pěti krocích, které začínají rychlou depolarizací během fáze 0, následuje počáteční částečná repolarizace během fáze 1, období plateau fáze 2, poté rychlá repolarizace během fáze 3, která vede ke stabilizaci na klidovém potenciálu během fáze 4. Akční potenciál myokardu se v průběhu fáze 4 stabilizuje. Fáze 2 plateau je jedinečným rysem akčního potenciálu myokardu, který není přítomen v kosterním svalu. Je způsobena vyrovnáváním účinků odtoku draslíku z buňky s přítokem vápníku přes napěťově řízené vápníkové kanály typu L (AKA dihydropyridinový receptor) na povrchu buňky. Tento influx vápníku je relativně malý a nestačí k tomu, aby sám o sobě způsobil kontrakci. Přesto spustí sarkoplazmatické retikulum, aby uvolnilo své zásoby vápníku do myoplazmy myocytu v procesu zvaném calcium-triggered-calcium-release. Vápník se pak může navázat na troponin na tenkém vlákně a zahájit proces kontrakce myocytu pozorovaný při každém úderu srdce.
Koncentrace vápníku v myocytu je rozhodujícím faktorem, který určuje, jak velká síla vzniká při každé kontrakci. Buňky srdečního svalu mohou zvýšit kontraktilitu prostřednictvím beta-1 adrenergních receptorů na povrchu s Gs G-proteinem. Při stimulaci buď sympatickým nervovým systémem, nebo agonisty beta-1 aktivují Gs enzym adenylylcyklázu, který přeměňuje ATP na cAMP. Intracelulární cAMP zvyšuje aktivitu proteinkinázy A (PKA), která pak fosforyluje vápníkové kanály umožňující vstup většího množství vápníku do buňky, což vede ke zvýšené kontrakci.
Srdeční sval se neuvolňuje a nepřipravuje na další srdeční tep prostým zastavením kontrakce; dochází k aktivnímu procesu zvanému lusitropie. Během lusitropie používají čerpadla sarko/endoplazmatického retikula Ca-ATPázy (SERCA) na membráně sarkoplazmatického retikula hydrolýzu ATP k přenosu vápníku z cytosolu zpět do sarkoplazmatického retikula (SR).
Regulační protein fosfolamban může řídit rychlost, jakou SERCA přečerpává vápník do SR. Fosfolamban po navázání snižuje přenos vápníku pomocí SERCA (sarkoplazmatické retikulum Ca2+ ATPázy). Stejně jako může zvýšit kontraktilitu, může sympatický nervový systém také zvýšit lusitropii prostřednictvím beta-1 adrenergní stimulace fosforylací fosfolambanu cAMP-dependentní proteinkinázou (PKA). Po fosforylaci přestane fosfolamban inhibovat SERCA, což umožní zvýšit rychlost příjmu vápníku a relaxaci srdečního svalu.
.