Structure and Function
Snelle, onwillekeurige samentrekking en ontspanning van de hartspier zijn van vitaal belang voor het rondpompen van bloed door het cardiovasculaire systeem. Om dit te bereiken, heeft de structuur van de hartspier verschillende kenmerken die hem in staat stellen op een gecoördineerde wijze samen te trekken en vermoeidheid te weerstaan.
De individuele hartspiercel (cardiomyocyt) is een buisvormige structuur die bestaat uit ketens van myofibrillen, die staafachtige eenheden binnen de cel zijn. De myofibrillen bestaan uit zich herhalende secties van sarcomeren, die de fundamentele contractiele eenheden van de spiercellen zijn. Sarcomeren zijn opgebouwd uit lange eiwitten die zich organiseren in dikke en dunne filamenten, myofilamenten genaamd. Dunne myofilamenten bevatten het eiwit actine, en dikke myofilamenten bevatten het eiwit myosine. De myofilamenten schuiven langs elkaar als de spier samentrekt en ontspant. Dit proces wordt geactiveerd door het vrijkomen van calcium uit het sarcoplasmatisch reticulum (SR) bij het leveren van een actiepotentiaal aan de spier, in een proces dat excitatie-contractie koppeling wordt genoemd. Het langs elkaar schuiven van actine en myosine veroorzaakt de vorming van “cross-bridges”, die samentrekking van het hart en het genereren van kracht veroorzaken.
Cardiomyocyten zijn rechthoekige, vertakkende cellen die gewoonlijk slechts één centraal geplaatste kern bevatten. Deze opstelling staat in contrast met skeletspiercellen, die vaak vele kernen bevatten. Cardiomyocyten bevatten veel mitochondriën om grote hoeveelheden adenosinetrifosfaat (ATP) te produceren en myoglobine om zuurstof op te slaan om aan de vraag van de spiercontractie te voldoen.
Net als skeletspieren geeft de organisatie van dunne en dikke myofilamenten die elkaar binnen de sarcomeren van de cel overlappen, een gestreept uiterlijk wanneer men deze microscopisch bekijkt. Dit karakteristieke uiterlijk bestaat uit dikke donkergekleurde A-banden (voornamelijk bestaande uit myosine) met een relatief heldere H-zone in het centrum, en lichter gekleurde I-banden (voornamelijk actine) met een donkere centrale Z-lijn (ook bekend als Z-schijf) die de actinefilamenten verbindt.
De buitenkant van de cardiomyocyt is omgeven door een plasmamembraan, het sarcolemma genaamd, dat fungeert als barrière tussen de extracellulaire en intracellulaire inhoud. Uitsparingen van het sarcolemma in het cytoplasma van de cardiomyocyt worden T-tubuli genoemd, en zij bevatten talrijke proteïnen zoals L-type calciumkanalen, natrium-calciumwisselaars, calcium ATPases, en beta-adrenerge receptoren die de uitwisseling van ionen met de extracellulaire vloeistof rond de cel mogelijk maken. Op de Z-lijn van de cardiomyocyt lopen T-tubuli naast vergrote gebieden van het sarcoplasmatisch reticulum die terminale cisternae worden genoemd, en de combinatie van een enkele T-tubule met een terminale cisterna wordt een diad genoemd. Deze configuratie staat in contrast met skeletspieren, die 2 terminale cisternae combineren met 1 T-tubule om “triaden” te vormen, die verschijnen bij het A-I knooppunt.
Naburige cardiomyocyten zijn aan hun uiteinden met elkaar verbonden door intercalerende schijven om een syncytium van hartcellen te vormen. Binnen de intercalated disc, zijn er drie verschillende soorten celverbindingen: fascia adherens, desmosomes, en gap junctions. De transversale zijde van de intercalated discs staat loodrecht op de spiervezels bij de Z-lijnen en biedt een structurele component via fascia adherens en desmosoomverbindingen. De laterale zijde van de schijven bevat gap junctions die intercellulaire communicatie mogelijk maken door ionen van een cardiomyocyt naar een naburige cel te laten bewegen zonder eerst te moeten worden uitgescheiden in de extracellulaire ruimte. Door de lage weerstand van de gap junctions kan depolarisatie zich snel door het syncytium verspreiden, wat de snelle overdracht van actiepotentialen vergemakkelijkt om een gesynchroniseerde samentrekking van de cardiomyocyten in unisono te produceren.
Een ander onderscheidend kenmerk van hartspiervezels is dat zij hun eigen auto-ritmiek hebben. In tegenstelling tot gladde spieren of skeletspieren die neurale input nodig hebben voor samentrekking, hebben hartvezels hun eigen pacemakercellen zoals de sinoatriale knoop (SA) die spontaan depolariseert. Deze depolarisaties vinden plaats in een constant tempo, maar de pacemakercellen kunnen ook input ontvangen van het autonome zenuwstelsel om de hartslag te verlagen of te verhogen, afhankelijk van de behoeften van het lichaam.
De myocardiale actiepotentiaal treedt op in vijf stappen, beginnend met snelle depolarisatie tijdens fase 0, gevolgd door initiële partiële repolarisatie tijdens fase 1, een plateau-periode van fase 2, dan een snelle repolarisatie tijdens fase 3, leidend tot stabilisatie op het rustpotentiaal tijdens fase 4. Het fase 2 plateau is een uniek kenmerk van de myocardiale actiepotentiaal dat niet aanwezig is in de skeletspieren. Het wordt veroorzaakt door het in evenwicht brengen van de effecten van kaliumuitstroom uit de cel met een instroom van calcium via spanningsgevoelige L-type calciumkanalen (AKA dihydropyridine receptor) op het celoppervlak. Deze instroom van calcium is betrekkelijk gering en onvoldoende om op zichzelf contractie te veroorzaken. Toch zet het het sarcoplasmatisch reticulum ertoe aan zijn calciumreserves in het myoplasma van de myocyt vrij te geven in een proces dat calcium-triggered-calcium-release wordt genoemd. Het calcium kan zich dan binden aan troponine op de dunne filamenten en het proces van samentrekking van de myocyten beginnen dat bij elke hartslag wordt waargenomen.
De calciumconcentratie in de myocyte is de kritieke factor die bepaalt hoeveel kracht er bij elke samentrekking wordt gegenereerd. Hartspiercellen kunnen de contractiliteit verhogen via bèta-1 adrenerge receptoren op het oppervlak met een Gs G-eiwit. Wanneer zij worden gestimuleerd door het sympathische zenuwstelsel of door beta-1 agonisten, activeren de G’s het enzym adenylyl cyclase, dat ATP omzet in cAMP. Intracellulaire cAMP verhoogt de activiteit van proteïne kinase A (PKA), die vervolgens calciumkanalen fosforyleert waardoor meer calcium de cel kan binnendringen, hetgeen leidt tot een verhoogde contractie.
De hartspier ontspant zich niet en bereidt zich voor op de volgende hartslag door eenvoudigweg te stoppen met samentrekken; dit gebeurt in een actief proces dat lusitropie wordt genoemd. Tijdens lusitropie gebruiken de Sarco/endoplasmatisch reticulum Ca-ATPase (SERCA) pompen op het membraan van het sarcoplasmatisch reticulum ATP-hydrolyse om calcium vanuit het cytosol terug te pompen naar het sarcoplasmatisch reticulum (SR).
Het regulerende eiwit fosfolamban kan de snelheid regelen waarmee de SERCA calcium in het SR pompt. Fosfolamban vermindert de overdracht van calcium door het SERCA (sarcoplasmatisch reticulum Ca2+ ATPase) wanneer het zich bindt. Net zoals het de contractiliteit kan verhogen, kan het sympathisch zenuwstelsel ook de lusitropie verhogen door bèta-1 adrenerge stimulatie door fosforylering van fosfolamban met cAMP-afhankelijk proteïnekinase (PKA). Wanneer het gefosforyleerd is, stopt het fosfolamban de remming van het SERCA, waardoor het de snelheid van de calciumopname en de ontspanning van de hartspier kan verhogen.