Struktura i funkcja
Szybkie, mimowolne skurcze i rozkurcze mięśnia sercowego są niezbędne do pompowania krwi w całym układzie krążenia. Aby to osiągnąć, struktura mięśnia sercowego ma wyraźne cechy, które pozwalają mu się kurczyć w sposób skoordynowany i odporny na zmęczenie.
Pojedyncza komórka mięśnia sercowego (kardiomiocyt) jest strukturą rurkową złożoną z łańcuchów miofibryli, które są prętopodobnymi jednostkami w komórce. Miofibryle składają się z powtarzających się odcinków sarkomerów, które są podstawowymi jednostkami kurczliwymi komórek mięśniowych. Sarkomery składają się z długich białek, które organizują się w grube i cienkie włókna, zwane miofilamentami. Cienkie miofilamenty zawierają białko aktynę, a grube miofilamenty zawierają białko miozynę. Miofilamenty przesuwają się obok siebie podczas skurczu i rozkurczu mięśnia. Proces ten aktywuje się w wyniku uwolnienia wapnia z retikulum sarkoplazmatycznego (SR) podczas dostarczania potencjału czynnościowego do mięśnia, w procesie zwanym sprzężeniem pobudzenie-skurcz. Przesuwanie się aktyny i miozyny obok siebie powoduje powstawanie „mostków poprzecznych”, co powoduje skurcz serca i wytwarzanie siły.
Kardiomiocyty są prostokątnymi, rozgałęziającymi się komórkami, które zazwyczaj zawierają tylko jedno centralnie położone jądro. Taki układ kontrastuje z komórkami mięśni szkieletowych, które często zawierają wiele jąder. Kardiomiocyty zawierają wiele mitochondriów do produkcji dużych ilości adenozynotrójfosforanu (ATP) i mioglobiny do przechowywania tlenu, aby sprostać wymaganiom skurczu mięśni.
Jak mięśnie szkieletowe, organizacja cienkich i grubych miofilamentów zachodzących na siebie w obrębie sarkomerów komórki wytwarza wygląd prążkowany, gdy jest oglądany pod mikroskopem. Ten charakterystyczny wygląd składa się z grubych ciemno zabarwionych pasm A (składających się głównie z miozyny) ze stosunkowo jasną strefą H w centrum, oraz jaśniej zabarwionych pasm I (składających się głównie z aktyny) z ciemną centralną linią Z (znaną również jako dysk Z) łączącą filamenty aktyny.
Zewnętrzna część kardiomiocytu jest otoczona błoną plazmatyczną zwaną sarkolemmą, która działa jako bariera między zawartością zewnątrzkomórkową i wewnątrzkomórkową. Inwolucje sarkolemy do cytoplazmy kardiomiocytu nazywane są T-tubulami i zawierają liczne białka, takie jak kanały wapniowe typu L, wymieniacze sodowo-wapniowe, ATPazy wapniowe i receptory beta-adrenergiczne, które umożliwiają wymianę jonów z płynem pozakomórkowym otaczającym komórkę. W linii Z kardiomiocytu T-tubule przylegają do rozszerzonych obszarów siateczki sarkoplazmatycznej zwanych cysternami końcowymi, a połączenie pojedynczej T-tubuli z jedną cysterną końcową określane jest jako diada. Ta konfiguracja kontrastuje z mięśniami szkieletowymi, które łączą 2 cysterny końcowe z 1 rurką T, tworząc „triady”, które pojawiają się w miejscu połączenia A-I.
Sąsiadujące kardiomiocyty są połączone na swoich końcach przez tarcze międzykomórkowe, tworząc syncytium komórek sercowych. W obrębie krążka międzykostnego występują trzy różne typy połączeń komórkowych: powięź adherens, desmosomy i połączenia szczelinowe. Poprzeczna strona tarcz międzykręgowych przebiega prostopadle do włókien mięśniowych na linii Z i stanowi element strukturalny poprzez połączenia powięziowe adherens i desmosomowe. Boczna strona tarcz zawiera połączenia szczelinowe, które umożliwiają komunikację międzykomórkową, pozwalając jonom z jednego kardiomiocytu przemieszczać się do sąsiedniej komórki bez konieczności ich uprzedniego wydalenia do przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Niski opór połączeń szczelinowych pozwala depolaryzacji szybko rozprzestrzeniać się w całym syncytium, co ułatwia szybkie przekazywanie potencjałów czynnościowych w celu wytworzenia zsynchronizowanego skurczu kardiomiocytów unison.
Jedną z innych odrębnych cech włókien mięśniowych serca jest to, że mają one swoje własne auto rytmiczności. W przeciwieństwie do gładkiej lub mięśni szkieletowych, które wymagają neuronowego wejścia do skurczu, włókna serca mają swoje własne komórki rozrusznika jak sinoatrial (SA) węzeł, który spontanicznie depolaryzuje. Te depolaryzacje występują w stałym tempie, ale komórki rozrusznika mogą również otrzymywać dane wejściowe z autonomicznego układu nerwowego, aby zmniejszyć lub zwiększyć częstość akcji serca w zależności od wymagań organizmu.
Potencjał czynnościowy mięśnia sercowego występuje w pięciu etapach, począwszy od szybkiej depolaryzacji w fazie 0, po której następuje początkowa częściowa repolaryzacja w fazie 1, okres plateau w fazie 2, następnie szybka repolaryzacja w fazie 3, prowadząca do stabilizacji w potencjale spoczynkowym w fazie 4. Plateau fazy 2 jest unikalną cechą potencjału czynnościowego mięśnia sercowego, która nie występuje w mięśniu szkieletowym. Jest ona spowodowana zrównoważeniem efektów odpływu potasu z komórki z napływem wapnia przez napięciowo czynne kanały wapniowe typu L (AKA receptor dihydropirydynowy) na powierzchni komórki. Ten napływ wapnia jest stosunkowo niewielki i niewystarczający, aby sam w sobie wywołać skurcz. Jednak powoduje, że retikulum sarkoplazmatyczne uwalnia swoje zapasy wapnia do miocytu w procesie zwanym uwalnianiem wapnia (calcium-triggered-calcium-release). Wapń może następnie związać się z troponiną na cienkich włóknach i rozpocząć proces skurczu miocytu widoczny przy każdym uderzeniu serca.
Stężenie wapnia w miocycie jest czynnikiem krytycznym, który określa, ile siły jest generowane przy każdym skurczu. Komórki mięśnia sercowego mogą zwiększyć kurczliwość poprzez receptory beta-1 adrenergiczne na powierzchni z białkiem Gs G. W przypadku stymulacji przez współczulny układ nerwowy lub agonistów beta-1, białka Gs aktywują enzym cyklazę adenylową, która przekształca ATP w cAMP. Wewnątrzkomórkowy cAMP zwiększa aktywność kinazy białkowej A (PKA), która następnie fosforyluje kanały wapniowe, umożliwiając wprowadzenie większej ilości wapnia do komórki, co prowadzi do nasilenia skurczu.
Mięsień sercowy nie rozluźnia się i nie przygotowuje do następnego uderzenia serca po prostu przez zaprzestanie skurczu; odbywa się to w aktywnym procesie zwanym lusitropią. Podczas lusitropii pompy sarko/endoplazmatycznej retikulum Ca-ATPazy (SERCA) na błonie retikulum sarkoplazmatycznego wykorzystują hydrolizę ATP do przenoszenia wapnia z cytozolu z powrotem do retikulum sarkoplazmatycznego (SR).
Białko regulacyjne fosfolamban może kontrolować szybkość, z jaką SERCA pompuje wapń do SR. Fosfolamban zmniejsza transfer wapnia przez SERCA (sarkoplazmatyczna retikulum Ca2+ ATPaza), gdy jest związany. Podobnie jak może zwiększać kurczliwość, współczulny układ nerwowy może również zwiększać lusitropię poprzez stymulację beta-1 adrenergiczną poprzez fosforylację fosfolambanu za pomocą kinazy białkowej zależnej od cAMP (PKA). Po fosforylacji fosfolamban zaprzestaje hamowania SERCA, umożliwiając mu zwiększenie szybkości pobierania wapnia i relaksacji mięśnia sercowego.
.