Struktur und Funktion
Das schnelle, unwillkürliche Zusammenziehen und Entspannen des Herzmuskels ist für das Pumpen von Blut durch das gesamte Herz-Kreislauf-System unerlässlich. Um dies zu erreichen, weist die Struktur des Herzmuskels bestimmte Merkmale auf, die es ihm ermöglichen, sich koordiniert zusammenzuziehen und nicht zu ermüden.
Die einzelne Herzmuskelzelle (Kardiomyozyt) ist eine röhrenförmige Struktur, die aus Ketten von Myofibrillen besteht, die stäbchenartige Einheiten innerhalb der Zelle sind. Die Myofibrillen bestehen aus sich wiederholenden Abschnitten von Sarkomeren, die die grundlegenden kontraktilen Einheiten der Muskelzellen darstellen. Sarkomere bestehen aus langen Proteinen, die in dicke und dünne Filamente, die so genannten Myofilamente, gegliedert sind. Dünne Myofilamente enthalten das Protein Aktin, dicke Myofilamente enthalten das Protein Myosin. Die Myofilamente gleiten aneinander vorbei, wenn sich der Muskel zusammenzieht und entspannt. Dieser Prozess wird durch die Freisetzung von Kalzium aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (SR) ausgelöst, wenn ein Aktionspotenzial an den Muskel abgegeben wird, ein Prozess, der als Erregungs-Kontraktions-Kopplung bezeichnet wird. Das Vorbeigleiten von Aktin und Myosin aneinander führt zur Bildung von „Querbrücken“, die die Kontraktion des Herzens und die Erzeugung von Kraft bewirken.
Kardiomyozyten sind rechteckige, verzweigte Zellen, die typischerweise nur einen zentral gelegenen Kern enthalten. Diese Anordnung steht im Gegensatz zu Skelettmuskelzellen, die oft viele Kerne enthalten. Kardiomyozyten enthalten viele Mitochondrien, die große Mengen an Adenosintriphosphat (ATP) produzieren, und Myoglobin, das Sauerstoff speichert, um den Anforderungen der Muskelkontraktion gerecht zu werden.
Wie beim Skelettmuskel erzeugt die Organisation von dünnen und dicken Myofilamenten, die sich innerhalb des Sarkomers der Zelle überlappen, bei mikroskopischer Betrachtung ein gestreiftes Aussehen. Dieses charakteristische Erscheinungsbild besteht aus dicken dunkel gefärbten A-Bändern (hauptsächlich aus Myosin) mit einer relativ hellen H-Zone in der Mitte und helleren I-Bändern (hauptsächlich Aktin) mit einer dunklen zentralen Z-Linie (auch als Z-Scheibe bekannt), die die Aktinfilamente verbindet.
Die Außenseite des Kardiomyozyten ist von einer Plasmamembran umgeben, die als Sarkolemm bezeichnet wird und als Barriere zwischen extrazellulärem und intrazellulärem Inhalt fungiert. Einstülpungen des Sarkolemmas in das Zytoplasma des Kardiomyozyten werden als T-Tubuli bezeichnet. Sie enthalten zahlreiche Proteine wie L-Typ-Kalziumkanäle, Natrium-Kalzium-Austauscher, Kalzium-ATPasen und beta-adrenerge Rezeptoren, die den Austausch von Ionen mit der die Zelle umgebenden extrazellulären Flüssigkeit ermöglichen. An der Z-Linie des Kardiomyozyten verlaufen die T-Tubuli neben vergrößerten Bereichen des sarkoplasmatischen Retikulums, die als terminale Zisternen bezeichnet werden, und die Kombination eines einzelnen T-Tubulus mit einer terminalen Zisterne wird als Diade bezeichnet. Diese Konfiguration steht im Gegensatz zur Skelettmuskulatur, die zwei terminale Zisternen mit einem T-Tubulus kombiniert, um „Triaden“ zu bilden, die an der A-I-Kreuzung auftreten.
Nachbarn von Kardiomyozyten sind an ihren Enden durch Interkalationsscheiben miteinander verbunden, um ein Syncytium von Herzzellen zu bilden. Innerhalb der Interkalationsscheibe gibt es drei verschiedene Arten von Zellverbindungen: Adhärenzfaszien, Desmosomen und Gap Junctions. Die transversale Seite der Interkalationsscheiben verläuft senkrecht zu den Muskelfasern an den Z-Linien und bietet eine strukturelle Komponente über Adhärenzfaszien und Desmosomenverbindungen. Die laterale Seite der Scheiben enthält Gap Junctions, die eine interzelluläre Kommunikation ermöglichen, indem sie Ionen von einem Kardiomyozyten zu einer benachbarten Zelle transportieren, ohne dass sie zuvor in den extrazellulären Raum ausgeschieden werden müssen. Der geringe Widerstand der Gap Junctions ermöglicht eine rasche Ausbreitung der Depolarisation im gesamten Synzytium, was die rasche Übertragung von Aktionspotentialen zur Erzeugung einer synchronen Kontraktion der Kardiomyozyten erleichtert.
Eine weitere Besonderheit der Herzmuskelfasern ist, dass sie eine eigene Eigenrhythmik besitzen. Anders als glatte Muskeln oder Skelettmuskeln, die für die Kontraktion einen neuronalen Input benötigen, haben Herzmuskelfasern ihre eigenen Schrittmacherzellen wie den sinoatrialen (SA) Knoten, der sich spontan depolarisiert. Diese Depolarisationen erfolgen in einem gleichmäßigen Rhythmus, aber die Schrittmacherzellen können auch Eingaben vom autonomen Nervensystem erhalten, um die Herzfrequenz je nach den Anforderungen des Körpers zu senken oder zu erhöhen.
Das myokardiale Aktionspotenzial verläuft in fünf Schritten, beginnend mit einer schnellen Depolarisation während der Phase 0, gefolgt von einer anfänglichen partiellen Repolarisation während der Phase 1, einer Plateauphase der Phase 2, dann einer schnellen Repolarisation während der Phase 3, die zur Stabilisierung auf dem Ruhepotenzial während der Phase 4 führt. Das Plateau der Phase 2 ist ein einzigartiges Merkmal des myokardialen Aktionspotenzials, das im Skelettmuskel nicht vorhanden ist. Es wird durch den Ausgleich der Auswirkungen des Kalium-Effluxes aus der Zelle mit einem Kalziumeinstrom durch spannungsgesteuerte L-Typ-Kalziumkanäle (auch Dihydropyridinrezeptor genannt) an der Zelloberfläche verursacht. Dieser Kalziumeinstrom ist relativ gering und reicht nicht aus, um eine Kontraktion auszulösen. Dennoch veranlasst er das sarkoplasmatische Retikulum, seine Kalziumvorräte in das Myoplasma des Myozyten freizusetzen, ein Prozess, der als Kalzium-getriggerte Kalziumfreisetzung bezeichnet wird. Das Kalzium kann dann an Troponin auf dem dünnen Filament binden und den Prozess der Myozytenkontraktion einleiten, der bei jedem Herzschlag zu beobachten ist.
Die Kalziumkonzentration im Myozyten ist der entscheidende Faktor, der bestimmt, wie viel Kraft bei jeder Kontraktion erzeugt wird. Herzmuskelzellen können ihre Kontraktilität durch adrenerge Beta-1-Rezeptoren auf der Oberfläche mit einem Gs-G-Protein erhöhen. Wenn sie entweder durch das sympathische Nervensystem oder durch Beta-1-Agonisten stimuliert werden, aktivieren die Gs das Enzym Adenylylcyclase, das ATP in cAMP umwandelt. Intrazelluläres cAMP erhöht die Aktivität der Proteinkinase A (PKA), die dann Kalziumkanäle phosphoryliert, wodurch mehr Kalzium in die Zelle eindringen kann, was zu einer verstärkten Kontraktion führt.
Der Herzmuskel entspannt sich nicht einfach und bereitet sich auf den nächsten Herzschlag vor, indem er die Kontraktion einstellt; dies geschieht in einem aktiven Prozess, der Lusitropie genannt wird. Während der Lusitropie nutzen die Pumpen der sarkoplasmatischen Retikulum-Ca-ATPase (SERCA) an der Membran des sarkoplasmatischen Retikulums die ATP-Hydrolyse, um Kalzium aus dem Zytosol zurück in das sarkoplasmatische Retikulum (SR) zu transferieren.
Das regulatorische Protein Phospholamban kann die Geschwindigkeit steuern, mit der die SERCA Kalzium in das SR pumpt. Phospholamban reduziert die Übertragung von Kalzium durch die SERCA (sarkoplasmatische Retikulum-Ca2+-ATPase), wenn es gebunden ist. Ebenso wie das sympathische Nervensystem die Kontraktilität erhöhen kann, kann es auch die Lusitropie durch eine beta-1-adrenerge Stimulation steigern, indem es Phospholamban durch die cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA) phosphoryliert. Wenn Phospholamban phosphoryliert wird, wird die Hemmung von SERCA aufgehoben, so dass es die Kalziumaufnahme und die Entspannung des Herzmuskels steigern kann.