Szerkezet és működés
A szívizom gyors, akaratlan összehúzódása és ellazulása létfontosságú a vér pumpálásához az egész szív- és érrendszerben. Ennek megvalósítása érdekében a szívizom szerkezete megkülönböztetett tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek lehetővé teszik, hogy összehangoltan húzódjon össze és ellenálljon a fáradásnak.
Az egyes szívizomsejt (kardiomiocita) csőszerű szerkezet, amely myofibrillumok láncaiból áll, amelyek rúdszerű egységek a sejten belül. A myofibrillumok szarkomerek ismétlődő szakaszaiból állnak, amelyek az izomsejtek alapvető kontraktilis egységei. A szarkomerek hosszú fehérjékből állnak, amelyek vastag és vékony filamentumokba, úgynevezett myofilamentumokba szerveződnek. A vékony myofilamentumok az aktin fehérjét, a vastag myofilamentumok pedig a miozin fehérjét tartalmazzák. A myofilamentumok az izom összehúzódása és elernyedése során csúsznak egymás mellett. Ez a folyamat a szarkoplazmatikus retikulumból (SR) felszabaduló kalciumtól aktiválódik, amikor az izomba akciós potenciált juttatunk, az úgynevezett gerjesztés-összehúzódás kapcsolás során. Az aktin és a miozin egymáson való elcsúszása “kereszthidak” kialakulását eredményezi, ami a szív összehúzódását és az erőkifejtést okozza.
A kardiomiociták négyszögletes, elágazó sejtek, amelyek jellemzően csak egy központi elhelyezkedésű sejtmagot tartalmaznak. Ez az elrendezés ellentétben áll a vázizomsejtekkel, amelyek gyakran sok magot tartalmaznak. A kardiomiociták sok mitokondriumot tartalmaznak, hogy nagy mennyiségű adenozin-trifoszfátot (ATP) termeljenek, a mioglobin pedig oxigént tároljon az izomösszehúzódás igényeinek kielégítésére.
A vázizomzathoz hasonlóan a sejt szarkomerjében egymást átfedő vékony és vastag myofilamentumok szerveződése mikroszkópos vizsgálat során csíkozott megjelenést eredményez. Ez a jellegzetes megjelenés vastag, sötét színű (főként miozinból álló) A-sávokból áll, középen egy viszonylag világos H-zónával, és világosabb színű I-sávokból (főként aktin), az aktinfilamentumokat összekötő sötét központi Z-vonallal (más néven Z-koronggal).
A szívizomsejtet kívülről egy szarkolemmának nevezett plazmamembrán veszi körül, amely gátként működik az extracelluláris és intracelluláris tartalmak között. A szarkolemma behúzódásait a kardiomiocita citoplazmájába T-tubulusoknak nevezzük, és ezek számos fehérjét tartalmaznak, például L-típusú kalciumcsatornákat, nátrium-kalcium cserélőket, kalcium-ATPázokat és béta-adrenerg receptorokat, amelyek lehetővé teszik az ioncserét a sejtet körülvevő extracelluláris folyadékkal. A szívizomsejt Z-vonalában a T-tubulusok a szarkoplazmatikus retikulum megnagyobbodott, terminális ciszternáknak nevezett területei mellett futnak, és egyetlen T-tubulus és egy terminális ciszterna kombinációját diádnak nevezik. Ez a konfiguráció ellentétben áll a vázizommal, amely 2 terminális ciszternát kombinál 1 T-tubulussal, hogy “triádokat” alkosson, amelyek az A-I csomópontban jelennek meg.
A szomszédos kardiomiocitákat a végeiknél interkalációs korongok kötik össze, hogy létrehozzák a szívsejtek szincíciumát. Az interkalált korongon belül három különböző típusú sejtkötés létezik: a fascia adherens, a desmosomák és a réskapcsolatok. Az interkalált lemezek keresztirányú oldala a Z-vonalaknál az izomrostokra merőlegesen fut, és a fascia adherens és desmosomális kapcsolatokon keresztül strukturális komponenst biztosít. A lemezek oldalsó oldala réskapcsolatokat tartalmaz, amelyek lehetővé teszik a sejtek közötti kommunikációt azáltal, hogy az egyik szívizomsejtből az ionok a szomszédos sejtbe juthatnak anélkül, hogy előbb ki kellene ürülniük az extracelluláris térbe. A réskapcsolatok alacsony ellenállása lehetővé teszi, hogy a depolarizáció gyorsan terjedjen az egész szinuszban, ami megkönnyíti az akciós potenciálok gyors továbbítását, hogy a kardiomiociták szinkronizált összehúzódását hozzák létre egységesen.
A szívizomrostok egyik másik megkülönböztető jellemzője, hogy saját önritmussal rendelkeznek. Ellentétben a sima- vagy vázizommal, amelyeknek az összehúzódáshoz idegi bemenetre van szükségük, a szívizomrostoknak saját pacemaker sejtjeik vannak, mint például a sinoatrialis (SA) csomó, amely spontán depolarizálódik. Ezek a depolarizációk egyenletes ütemben történnek, de a pacemaker sejtek is kaphatnak bemenetet a vegetatív idegrendszerből, hogy a szervezet igényeitől függően csökkentsék vagy növeljék a szívfrekvenciát.
A szívizom akciós potenciálja öt lépésben zajlik, kezdve a 0. fázis alatti gyors depolarizációval, amelyet az 1. fázis alatti kezdeti részleges repolarizáció, a 2. fázis alatti platóperiódus, majd a 3. fázis alatti gyors repolarizáció követ, ami a 4. fázis alatti nyugalmi potenciálon való stabilizációhoz vezet. A 2. fázis platója a szívizom akciós potenciáljának egyedi jellemzője, amely a vázizomzatban nincs jelen. Ezt a sejtből történő káliumkiáramlás és a sejtfelszínen lévő feszültségkapcsolt L-típusú kalciumcsatornákon (AKA dihidropiridin-receptor) keresztül történő kalciumbeáramlás hatásainak kiegyensúlyozása okozza. Ez a kalcium beáramlás viszonylag kicsi és nem elegendő ahhoz, hogy önmagában összehúzódást okozzon. Mégis, a szarkoplazmatikus retikulumot arra készteti, hogy a kalcium által kiváltott kalcium-felszabadulásnak nevezett folyamat során felszabadítsa a kalciumraktárait a szívizomsejt myoplazmájába. A kalcium ezután a vékony filamentumon lévő troponinhoz tud kötődni, és elindítja a szívizomsejt összehúzódásának folyamatát, amelyet minden egyes szívdobbanáskor megfigyelhetünk.
A kalcium koncentrációja a szívizomsejtben az a kritikus tényező, amely meghatározza, hogy mekkora erő keletkezik minden egyes összehúzódáskor. A szívizomsejtek a felszínen lévő béta-1 adrenerg receptorokon keresztül egy Gs G-fehérje segítségével növelhetik a kontraktilitást. Amikor akár a szimpatikus idegrendszer, akár béta-1 agonista gyógyszerek stimulálják, a Gs aktiválja az adenil-cikláz enzimet, amely az ATP-t cAMP-á alakítja. Az intracelluláris cAMP növeli a protein kináz A (PKA) aktivitását, amely ezután foszforilálja a kalciumcsatornákat, lehetővé téve több kalcium bejutását a sejtbe, ami fokozott összehúzódáshoz vezet.
A szívizom nem egyszerűen az összehúzódás megszűnésével relaxál és készül fel a következő szívverésre; ez egy aktív folyamat, a lusitropia során történik. A lusitropia során a szarkoplazmatikus retikulum Ca-ATPáz (SERCA) szivattyúk a szarkoplazmatikus retikulum membránján ATP-hidrolízis segítségével kalciumot juttatnak vissza a szarkoplazmatikus retikulumba (SR) a citoszolból.
A szabályozó fehérje, a foszfolamban képes szabályozni, hogy a SERCA milyen sebességgel pumpál kalciumot az SR-be. A foszfolamban összekapcsolódva csökkenti a SERCA (szarkoplazmatikus retikulum Ca2+ ATPáz) kalcium-transzportját. Ahogyan a szimpatikus idegrendszer is növelheti a kontraktilitást, úgy a szimpatikus idegrendszer is növelheti a lusitrópiát béta-1 adrenerg stimuláció révén a foszfolamban foszforilálásával a cAMP-függő protein kinázzal (PKA). Foszforilálásakor a foszfolamban megszünteti a SERCA gátlását, lehetővé téve a kalciumbevitel és a szívizom relaxációjának fokozódását.