Struktur og funktion
Hjertemusklens hurtige, ufrivillige sammentrækning og afslapning er afgørende for at pumpe blodet gennem hele det kardiovaskulære system. For at opnå dette har hjertemusklens struktur forskellige egenskaber, der gør det muligt for den at trække sig sammen på en koordineret måde og modstå træthed.
Den enkelte hjertemuskelcelle (kardiomyocyt) er en rørformet struktur, der består af kæder af myofibriller, som er stavformede enheder i cellen. Myofibrillerne består af gentagne sektioner af sarkomerer, som er muskelcellens grundlæggende kontraktile enheder. Sarkomerer er sammensat af lange proteiner, der er organiseret i tykke og tynde filamenter, kaldet myofilamenter. Tynde myofilamenter indeholder proteinet actin, og tykke myofilamenter indeholder proteinet myosin. Myofilamenterne glider forbi hinanden, når musklen trækker sig sammen og slapper af. Denne proces aktiveres af frigivelsen af calcium fra det sarkoplasmatiske retikulum (SR), når der leveres et aktionspotentiale til musklen, i en proces, der kaldes excitation-kontraktionskobling. Når actin og myosin glider forbi hinanden, opstår der dannelse af “tværbroer”, hvilket medfører sammentrækning af hjertet og generering af kraft.
Kardiomyocytter er rektangulære, forgrenede celler, der typisk kun indeholder én centralt placeret kerne. Dette arrangement står i kontrast til skeletmuskelceller, som ofte indeholder mange kerner. Kardiomyocytter indeholder mange mitokondrier til at producere store mængder adenosintrifosfat (ATP) og myoglobin til at lagre ilt for at opfylde kravene ved muskelkontraktion.
Som i skeletmuskulaturen giver organiseringen af tynde og tykke myofilamenter, der overlapper hinanden inden for cellens sarkomer, et stribet udseende, når de ses i mikroskopi. Dette karakteristiske udseende består af tykke mørkfarvede A-bånd (hovedsageligt sammensat af myosin) med en relativt lys H-zone i midten og lysere farvede I-bånd (hovedsageligt actin) med en mørk central Z-linje (også kendt som Z-skive), der forbinder actinfilamenterne.
Den ydre del af kardiomyocytten er omgivet af en plasmamembran kaldet sarkolemma, der fungerer som en barriere mellem ekstracellulært og intracellulært indhold. Invaginationer af sarkolemmaet ind i kardiomyocyttens cytoplasma kaldes T-tubuli, og de indeholder talrige proteiner som L-type calciumkanaler, natrium-calciumudvekslere, calcium-ATPaser og beta-adrenerge receptorer, der muliggør udveksling af ioner med den ekstracellulære væske, der omgiver cellen. Ved kardiomyocyttens Z-linje løber T-tubuli ved siden af forstørrede områder af det sarkoplasmatiske retikulum, der er kendt som de terminale cisterner, og kombinationen af et enkelt T-tubuli med en terminal cisterne betegnes som en diade. Denne konfiguration står i kontrast til skeletmuskulaturen, som kombinerer 2 terminale cisterner med 1 T-tubulus for at danne “triader”, som optræder ved A-I-knudepunktet.
Nærliggende kardiomyocytter er forbundet sammen i deres ender af interkalerede skiver for at skabe et syncytium af kardiaceller. Inden for den interkalerede skive findes der tre forskellige typer af celleforbindelser: fascia adherens, desmosomer og gap junctions. Den tværgående side af de interkalerede skiver løber vinkelret på muskelfibrene ved Z-linjerne og giver en strukturel komponent via fascia adherens- og desmosomforbindelser. Den laterale side af skiverne indeholder gap junctions, der muliggør intercellulær kommunikation ved at tillade ioner fra en kardiomyocyt at bevæge sig til en nabocelle uden først at skulle udskilles i det ekstracellulære rum. Den lave modstand i gap junctions gør det muligt for depolarisering at sprede sig hurtigt i hele syncytium, hvilket letter den hurtige overførsel af aktionspotentialer for at producere en synkroniseret sammentrækning af kardiomyocytterne i unison.
Et andet særtræk ved hjertemuskelfibrene er, at de har deres egen auto rytmiskhed. I modsætning til glatte muskler eller skeletmuskler, som kræver neuralt input for kontraktion, har hjertefibre deres egne pacemakerceller som sinoatrial (SA)-knuden, der spontant depolariserer. Disse depolariseringer sker i et ensartet tempo, men pacemakercellerne kan også modtage input fra det autonome nervesystem til at sænke eller øge hjertefrekvensen afhængigt af kroppens behov.
Myokardiets aktionspotentiale forekommer i fem trin, begyndende med hurtig depolarisering i fase 0, efterfulgt af indledende delvis repolarisering i fase 1, en plateauperiode i fase 2, derefter en hurtig repolarisering i fase 3, der fører til stabilisering ved hvilepotentialet i fase 4. Plateauet i fase 2 er et unikt træk ved myokardiets aktionspotentiale, som ikke findes i skeletmuskulaturen. Det skyldes, at virkningerne af kaliumudstrømning fra cellen balanceres med en tilstrømning af calcium gennem spændingsregulerede L-type calciumkanaler (AKA dihydropyridinreceptor) på cellens overflade. Denne tilstrømning af calcium er relativt lille og utilstrækkelig til at forårsage kontraktion i sig selv. Alligevel udløser det sarkoplasmatisk retikulum til at frigive sine calciumlagre til myocyttens myoplasma i en proces, der kaldes calcium-triggered-calcium-release (calciumudløsning). Kalciumet kan derefter binde sig til troponin på det tynde filament og påbegynde den myocytkontraktionsproces, der ses ved hvert hjerteslag.
Koncentrationen af calcium i myocytten er den kritiske faktor, der bestemmer, hvor meget kraft der genereres ved hver kontraktion. Hjertemuskelceller kan øge kontraktiliteten gennem beta-1 adrenerge receptorer på overfladen med et Gs G-protein. Når de stimuleres af enten det sympatiske nervesystem eller beta-1-agonistiske lægemidler, aktiverer Gs’erne enzymet adenylylcyklase, som omdanner ATP til cAMP. Intracellulær cAMP øger aktiviteten af proteinkinase A (PKA), som derefter fosforylerer calciumkanaler, der tillader mere calcium at komme ind i cellen, hvilket fører til øget kontraktion.
Hjertemusklen slapper ikke af og forbereder sig på det næste hjerteslag blot ved at ophøre med kontraktion; det sker i en aktiv proces, der kaldes Lusitropi. Under lusitropi bruger Sarco/endoplasmatisk retikulum Ca-ATPase (SERCA)-pumperne på membranen i det sarkoplasmatiske retikulum ATP-hydrolyse til at overføre calcium tilbage til det sarkoplasmatiske retikulum (SR) fra cytosolen.
Det regulerende protein phospholamban kan kontrollere hastigheden, hvormed SERCA pumper calcium ind i SR. Phospholamban reducerer SERCA’s (sarcoplasmatisk retikulum Ca2+ ATPase) overførsel af calcium, når det er bundet sammen. Ligesom det kan øge kontraktiliteten, kan det sympatiske nervesystem også øge lusitropien gennem beta-1 adrenerge stimulering ved fosforylering af phospholamban med cAMP-afhængig proteinkinase (PKA). Når phospholamban fosforyleres, ophører phospholamban med at hæmme SERCA, hvilket gør det muligt at øge calciumoptagelseshastigheden og afslapningen af hjertemusklen.