Fizjologia układu krążenia.docx

Potencjał spoczynkowy kardiomiocytów roboczych i komórek układu bodźcotwórczego

Mechanizm potencjału spoczynkowego kardiomiocytów. Hiper- i

hipokaliemia

- Gradienty sodowy i potasowy są jednym z podstawowych elementów mechanizmu potencjału

spoczynkowego. A poza tym zależą od nich inne gradienty.

- Drugim podstawowym elementem tego mechanizmu są różnice w biernej przepuszczalności sarkolemy

dla jonów Na+ i K+.

W sarkolemie miocytów znajdują się m.in. kanały potasowe oznaczane symbolem K1. W stanie spoczynku komórki

kanały te są w stanie stałej aktywacji, co zapewnia wysoką przewodność sarkolemy dla jonów K+. Dzięki temu

jony K+ mają silną tendencję do odkomórkowej dyfuzji zgodnie z gradientem ich stężeń. Jednakże dyfuzja ta

może zajść tylko w bardzo ograniczonym stopniu, gdyż odkomórkowe przesunięcie jonów K+ niosących ładunki

dodatnie nie może być skompensowane przez przesunięcia innych jonów bo ładunki jonów K+ są w komórce

elektrostatycznie równoważone głównie przez aniony organiczne, a przede wszystkim białczanowe. Aniony te nie

mogą swobodnie poruszać się we wnętrzu komórki i nie mogą dyfundować przez sarkolemę.

Jony Na+ mogą dyfundować do komórki na trzech drogach,

o tj. w czasie aktywacji kanałów Na+ sarkolemy, co trwa przez kilka ms na początku

potencjału czynnościowego

o w wyniku aktywności wymiennika Na+/Ca2+

o i w wyniku aktywności wymiennika Na+/H+.

- Tak więc dokomórkowa dyfuzja Na+ jest zależna od stanu czynnościowego komórki i jest

równoważona przez czynny, odkomórkowy transport Na+ przez pompę sodowo-potasową.

- Tak więc średni przepływ Na+ przez błonę komórkową = 0.

Podobnie jest z jonami Ca2+ których dokomórkowa dyfuzja przez kanały Ca2+ sarkolemy i ewentualnie, powolne

przesączanie są kompensowane przez odkomórkowy transport.

· Tak więc siła nie kompensowanej przez przesunięcia innych jonów dyfuzji K+ ku zewnątrz prowadzi do

przestrzennej separacji ładunków dodatnich, niesionych przez jony K+ i ładunków ujemnych

„pozostających za nimi w tyle” anionów wnętrza komórkowego.

· Ta tendencja do przestrzennej separacji ładunków powoduje powstanie ujemnego potencjału

elektrycznego, który na drodze elektrostatycznego przyciągania równoważy siłę odkomórkowej dyfuzji

jonów K+. Tak więc w stanie spoczynku jony K+, które w wyniku różnicy stężeń i dużej dla nich

przewodności błony komórkowej (100 razy większej niż dla Na+) mogłyby dyfundować z komórki „wiszą” w

niej na ujemnym potencjale.

· Wynika z tego że siłą generującą ujemny potencjał wnętrz jest siła dyfuzji jonów K+, która jest

równoważona przez ich elektrostatyczne przyciąganie przez ujemny potencjał wnętrza komórkowego.

· Innymi słowy potencjał spoczynkowy miocytu to w dużym stopniu potencjał równowagi dyfuzji jonów K+.

· Ten stan równowagi pomiędzy siłą dyfuzji a generowanym przez nią potencjałem przedstawia równanie

Nersta.

© Copyright by $taś

3

Hiperkaliemia

· Z lekarskiego punktu widzenia ogromne znaczenie ma stosunek stężeń zewnątrz do wewnątrzkomórkowego

K+. W różnych stanach cchorobowych stosunek stężeń zewnątrz i wewnątrzkomórkowych K+ może ulec

zmianom prowadzącym do zagrażających życiu zakłóceń w czynności serca.

· Na przykład w ostrej lub przewlekłej niewydolności nerek występuje zatrzymanie K+ w ustroju ze zwiększeniem

jego stężenia w osoczu i płynach zewnątrzkomórkowych. Wobec tego różnica stężeń zewnątrz- i

wewnątrzkomórkowego potasu maleje, a więc maleje siła jego dyfuzji.

o Wobec tego maleje potencjał generowany przez tę siłę i równoważący ją. Komórki ulegają

częściowej depolaryzacji, co prowadzi do groźnych dla życia zaburzeń przewodnictwa i rytmu serca.

· Wzrost stężenia K+ powyżej prawidłowej wartości 5mmol/l powoduje zgodnie z równaniem Goldmana (bo

większa przepuszczalność błony dla jonów K+) obniżenie potencjału spoczynkowego, zwolnienie

przewodnictwa impulsów i spadek kurczliwości serca.

· Hiperkaliemia jest niebezpieczna dla życia i grozi porażeniem mięśnia przedsionków, wydłużeniem

przewodnictwa przedsionkowo-komorowego oraz w samym mięśniu komór skłonnością do arytmii, a nawet

zatrzymania serca w rozkurczu,

· Hiperkaliemia może nastąpić w wyniku:

o Niewydolności nerek

o Zespołu zmiażdżenia

o Dużej hemolizy

· W czasie operacji na sercu stosuje się duże stężenia jonów K+ w roztworze zwanym kardiopleginą, podaną

pompą do krążenia wieńcowego, co umożliwia chirurgowi natychmiastowe unieruchomienie (bez zmian jego

żywotności ) schłodzonego serca do temp. +6 na czas do 60min.

· Podobnie w przeszczepach serca

· Podanie dożylne wysokiej dawki K+ powoduje nagłe zatrzymanie akcji serca, którą można przywrócić

kilkunastominutowym masażem zewnętrznym serca i sztucznym oddychaniem z jednoczesnym dożylnym

podaniem odpowiednich stężeń adrenaliny, dobutaminy, glukozy i insuliny

· Wpływ hiperkaliemii na akcję serca :

· zwiększenie załamka T – przy stężeniu około 6 mmol/l

· blok międzykomorowy - przy stężeniu około 10 mmol/l

· zatrzymanie akcji serca - przy stężeniu około 12 mmol/l

Hipokaliemia

· Lekarz ma często do czynienia z utratą ustrojowego K+ na skutek np. wymiotów i uporczywych biegunek w

ostrych zatruciach pokarmowych lub przy stosowaniu leków diuretycznych, które prowadzą do hipopotasemi.

· W warunkach doświadczalnych szybkie obniżenie stężenia K+ w płynie omywającym izolowany miocyt

powoduje hiperpolaryzacje (przesunięcie potencjału w kierunku ujemnym) na skutek zwiększenia siły jego

dyfuzji. Jednakże w ciągu kilkunastu sekund hiperpolaryzacja ustępuje miejsca postępującej depolaryzacji.

· Depolaryzacja ta jest spowodowana wpływem obniżenia zewnątrzkomórkowego stężenia K+ na aktywność

Na+, K+, Mg2+ - ATP-azy sarkolemy (która jest aktywowana przez jony K+).

· Obniżenie stężenie K+ powoduje zahamowanie pompy sodowo-potasowej. Dzięki temu czynny odkomórkowy

transport Na+ nie jest w stanie skompensować jego dokomórkowej dyfuzji. Na skutek tego stężenie Na- w

komórce rośnie. Gromadzące się w sarkoplazmie jony Na+ zastępują swymi ładunkami ładunki jonów K+

wobec czego mogą one dyfundować na zewnątrz w ilości równej przyrostowi jonów Na+. W wyniku tego

stężenie jonów K+ w sarkoplazmie maleje, tj. maleje różnica stężeń K+ pomiędzy sarkoplazmą a środowiskiem

zewnątrzkomórkowym, a więc i siła dyfuzji tego jonu.

© Copyright by $taś

4

· Prowadzi to do zmniejszenia ujemnych wartości potencjału spoczynkowego, a wiec depolaryzacji.

· Zwiększenie wewnątrzkomórkowego stężenia Na+ powoduje również zmniejszenie wartości gradientu

sodowego. Pociąga to za sobą zmniejszenie intensywności odkomórkowego transportu Ca2+ na drodze

wymiany Na+/Ca2+ i kumulacja Ca2+ w komórce.

· Depolaryzacja i kumulacja Ca2+ powodują zaburzenia rytmu serca i zaburzenia metaboliczne, które mogą

doprowadzić do ogniskowej martwicy mięśnia sercowego,

· Hipokaliemia (wg Konturka) również powoduje wydłużenie czasu przewodnictwa przedsionkowokomorowego

i zmiany EKG, głównie w postaci odwrócenia załamka T i wydłużenia odstępu QR i poszerzenia

zaspołu QRS, ale nie jest tak niebezpieczna jak hiperkaliemia

Hiperkalcemia

- zwiększa się potencjał spoczykowy i kurczliwość mięśnia sercowego

- przy dużym wzroście stężęnia wapnia może spowodować nawet zatrzymanie serca w skurczu

(calcium rigor)

Hipokalcemia

- obniżenie potencjału spoczynkowego

- zmniejsza się kurczliwość serca

- zwalnia propagację potencału czynnościowego w sercu

Zmiany stężeń Na+ w ECF wywierają wpływ na potencjał spoczynkowy i czynnościowy w sercu, odwrotny do tego

obserwowanego przy zmianach K+ ale są one mniej janasilone i mniej niebezpieczne.

Powolna spoczynkowa depolaryzacja

Układ przewodzący serca tworzą w pewnych obszarach serca skupiska wyspecjalizowanych komórek, występujące obok nor­malnych komórek mięśnia sercowego. Komórki te różnią się znacznie właściwościami morfologicznymi i czynnościowymi od pozostałych „roboczych” komórek mięśnia sercowego, mimo to ich budowa umożliwia przechodzenie fali depolaryzacji z jednej komórki do drugiej.

Komórki układu przewodzącego cechuje automatyzm, czyli zdolność spontanicznego, rytmicznego samopobudzania się. Komórki te nie mają stałego potencjału spoczynkowego i po zakończeniu repolaryzacji (po przejściu pobudzenia) zachodzi stopniowa, powolna depo­laryzacja, powodująca przesunięcie potencjału błonowego w kierunku dodatnim, aż do osiągnięcia potencjału progowego, co prowadzi do wystąpienia następnego pobudzenia komórki. Zjawisko to określa się mianem powolnej, spoczynkowej depolaryzacji. Podłożem tej spontanicznej depolaryzacji jest rytmiczne, stopniowe obniżanie się przepuszczalności błony komórkowej dla jonów potasu i wzrost przepuszczalności dla jonów wapnia. Po osiągnięciu szczytu depolary­zacji rozpoczyna się repolaryzacja, po której natychmiast po­nownie występuje powolna spoczynkowa depolaryzacja.

Wśród komórek tworzących układ przewodzący serca występują gru­py komórek o różnej, własnej częstotliwości pobudzeń. Grupę komó­rek, których spontaniczny rytm pobudzeń jest najszybszy, określa się mianem rozrusznika serca. Stan czynny powstający w rozruszniku wywołuje pobudzenie pozostałych komórek układu przewodzącego, zanim ich własna spoczynkowa depolaryzacja osiągnie potencjał progowy. Pobudzenie to szerzy się równocześnie w komór­kach roboczych mięśnia sercowego dzięki czynnościowym połącze­niom między nimi.

Komórki układu przewodzącego serca tworzą skupiska, zwane węz­łami i pęczkami. W pobliżu ujścia żyły głównej górnej do prawego przedsionka znajduje się węzeł zatokowo-przedsionkowy. Po prawej stronie tylnej części przegrody międzyprzedsionkowej mie­ści się węzeł przedsionkowo-komorowy. Węzły te nie są ze sobą bezpośrednio połączone za pomocą wyspecjalizowanej tkanki przewodzącej, ale włókna mięśniowe przedsionka serca przeplatają się .z włóknami węzła przedsionkowo-komorowego. Przedłużeniem węzła przedsionkowo-komorowego jest pęczek przedsionkowo-ko- morowy, zwany też pęczkiem His a. Dzieli się on w górnej częś­ci przegrody międzykomorowej na prawą i lewą odnogę. Odnogi te, przebiegające w dół, podwsierdziowo, po obu stronach przegrody mię­dzykomorowej, przechodzą w komórki mięśniowe przewodzące komór, zwane też włóknami Purkinjego.

Strukturą narzucającą swój rytm całemu sercu, rozrusznikiem serca, jest węzeł zatokowo-przedsionkowy, zwany też pierwszo- rzędowym ośrodkiem automatyzmu. Rytm narzucony

przez ten węzeł nazywa się rytmem zatokowym (ok. 70 skurczów na minutę w spoczynku). Bodźce powstające w węźle zatokowo-przedsionkowym rozprzestrzeniają się promieniście w przedsionkach dzięki przechodzeniu fali depolaryzacji z komórki na komórkę. Fala pobudze­nia obejmuje także węzeł przedsionkowo-komorowy i dochodzi następ­nie do komór za pośrednictwem pęczka Hisa i włókien Purkinjego z pewnym opóźnieniem, spowodowanym wolnym przewodzeniem w węźle przedsionkowo-komorowym. To opóźnienie w węźle przedsionkowo-komorowym odgrywa istotną rolę, gdyż umożliwia skurcz przed­sionków i opróżnienie ich z krwi zanim rozpocznie się skurcz komór.

Komórki węzła przedsionkowo-komorowego mają swój własny auto­matyzm. Przebieg ich depolaryzacji spoczynkowej jest wolniejszy niż w komórkach węzła zatokowo-przedsionkowego, toteż w warunkach prawidłowych poddają się one jego rytmowi impulsów. Gdy jednak wystąpi blok przewodnictwa pomiędzy węzłem zatokowo-przedsionkowym a przedsionkami, komórki węzła przedsionkowo-komorowego przejmują funkcję rozrusznika serca. Rytm taki, wolniejszy od rytmu zatokowego, nazywany jest rytmem węzłowym.

Węzeł przedsionkowo-komorowy i pęczek Hisa wraz z odnogami są jedyną drogą pozwalającą na przejście stanu pobudzenia z przedsion­ków do komór, ponieważ jamy te są odizolowane od siebie niepobudliwą tkanką łączną. Stan czynny szerzy się w mięśniu komór bardzo gwałtownie, przechodząc z komórki na komórkę, obejmuje kolejno przegrodę i koniuszek serca, następnie wzdłuż ścian komór powraca ku podstawie serca, przenosząc się przy tym z powierzchni wsierdziowej na powierzchnię nasierdziową. Fala depolaryzacji rozprzestrzenia się przez szybko przewodzące włókna Purkinjego do wszystkich części komór, tak że stan pobudzenia obejmuje komórki mięśniowe prawej i lewej komory niemal równocześnie, co pozwala na efektywny, zsynch­ronizowany skurcz komór.

W pewnych warunkach niektóre skupiska komórek mięśnia przed­sionków lub komór inicjują stan czynny niezależnie od rytmu wyłado­wań rozrusznika serca. Są to tzw. ogniska ektopowe. Zdarza się to np. u ludzi pijących duże ilości kawy, gdyż zawarta w niej kofeina wzmaga pobudliwość tych obszarów serca. Gdy w ognisku ektopowym . dochodzi sporadycznie do powstania potencjału czynnościowego zaraz po zakończeniu prawidłowego skurczu serca, ale przed następnym im­pulsem pochodzącym z węzła zatokowo-przedsionkowego, wywołuje to przedwczesne pobudzenie serca. Jeżeli w ognisku ektopo­wym wyładowania powstają periodycznie, w rytmie szybszym niż rytm zatokowy, ognisko to może przejąć funkcję rozrusznika serca.

Przy uszkodzeniach mięśnia sercowego może również dojść do częś­ciowego lub całkowitego zahamowania przewodzenia w różnych częś­ciach układu przewodzącego, co — w zależności od lokalizacji uszko­dzenia — powoduje niepełny lub całkowity blok serca. Przejawia się on zwolnieniem częstości skurczów serca do 30 – 45 uderzeń na minutę.

Potencjał czynnościowy kardiomiocytów i komórek układu bodźcoprzewodzącego

Faza 0 (bardzo szybka depolaryzacja sarkolemy)

¨ Bodziec z SA

¨ Lokalna depolaryzacja z –90mV do –60mV, wzrost dokomórkowego prądu jonowego Na+

¨ Lokalne otwarcie bramkowanych depolaryzacją szybkich kanałów Na+ (wzrost gNa+ - g -przewodność)

¨ Gdy depolaryzacja osiągnie –40mV, zamykają się kanały potasowe K1 (inaktywacja kanałów potasowych)

¨ Lawinowy dokomórkowy wpływ jonów Na+ i otwarcie wszystkich kanałów dla jonów sodowych, czyli pełna

aktywacja sodowa. Rewersja potencjału błonowego z nadstrzałem do +25mV

Selektywne blokowanie tetrodoksyną (TTX) bramkowanych depolaryzacją elektryczną kanałów sodowych

zmniejsza tempo narastania depolaryzacji w fazie 0 ale nie znosi jej całkowicie)

Faza 1 (wstępna repolaryzacja)

· inaktywacja sodowa i przejściowy wzrost przewodności dla jonów Cl- (wzrost gCl-) à wstępna

repolaryzacja z +25 do 0 mV

· aktywacja kanałów wapniowych i dokomórkowy prąd jonowy Ca2+ (wzrost gCa2+)

· wypływ jonów K+ przez kanały K – ich aktywacja już gdy potencjał osiąga –40 mV, ale jest ona bardzo

powolna i niewiele jonów przepływa przez te kanały. Odkomórkowy prąd ładunków dodatnich

niesionych przez te kanały osiąga maksymalne natężenie pod koniec fazy platau

Faza 2 (plateau – 250 ms)

1) dokomórkowy prąd jonowy z Ca2+ z zewnętrz i równowaga z odkomórkowym słabym prądem K+ (tych

przez kanały K chyba, bo kanały K1 inaktywowane)

2) wzrost stężeń Ca2+ w sarkoplazmie z powodu utrzymującego się prądu dokomórkowego Ca2+ (przez

kanały L – a ich aktywacja nastąpiła już w fazie gdy przesunięcie potencjału powyżej –30 mV))(z zewnętrznej powierzchni

sarkolemy, gdzie są zgromadzone w glikokaliksie) i uwalniania Ca2+ z siateczki sarkoplazmatycznej pod

wpływem Ca2+ pochodzenia zewnętrznego

3) stopniowy wzrost aktywności kanałów dla K+ i powrót przewodności dla K+

do wartości spoczynkowej (ten wypływ przez kanały K.X1, czyli kanały

zależne od Ca2+))

Faza 3 (szybka repolaryzacja)

1) Coraz silniejsza aktywacja kanałów dla K+ (wypływ przez kanały K1)à

odkomórkowy wypływ jonów K+ (powoduje repolaryzacje à zwiększenie

ład dodatniego na zewnątrz J) -

2) Dokomórkowy prąd Ca2+staje się coraz słabszy, gdy tymczasem wzrasta

odkomórkowy wypływ K+ à odpływ ładunków dodatnich uzyskuje

przewagę nad ich dopływem à repolaryzacja błony

3) Wpompowywanie Ca2+ do siateczki sarkoplazmatycznej a także

wyrzucanie ich na zewnątrz z udziałem pompy Ca2+ i wymiennika

Ca2+/Na+

4) Repolaryzacja. Gdy potencjał błonowy spadnie do –50 mV, powoli

odblokowane zostają kanały Na+ (spadek gNa+)

Faza 4

1) Aktywacja pompy Na+-K+ i wyrzucanie Na+ na zewnątrz z wciąganiem K+

do sarkoplazmy (à utrzymywanie potencjału błonowego na stałym

poziomie)

2) Przywrócenie prawidłowej dystrybucji stężeń jonowych po obu stronach

Sarkoplazmy

Komórki węzła zatokowo-przedsionkowego i przedsionkowo komorowego, czyli komórki układu

bodźcoprzewodzącego cechują się zdecydowanie odmiennym potencjałem spoczynkowym i czynnościowym

niż komórki robocze serca.

Komórki tkanki bodźcotwórczoprzewodzącej mają zdolność do samoistnego i rytmicznego pobudzania się,

tworząc tym samym rozrusznik całego mięśnia sercowego.

Różnice:

· niższy potencjał spoczynkowy (-60 mV a nie –90mV jak w kom. roboczej)

· niższy potencjał progowy (-40 mV a nie –60 mV jak w kom. roboczej)

· brak nadstrzału (a w kom. roboczej nadstrzał do około +25 mV)

· brak typowej szybko narastającej fazy 0 (TTX ma na niego niewielki wpływ dlatego)

· potencjał czynnościowy w komórkach tkanki bodźcoprzewodzącej to wynik dokomórkowego prądu

jonów Ca2+ (ICaL) spowodowanego otwieraniem wolnych, długoterminowych (L) kanałów wapniowych.

· Brak obniżenia przewodności dla jonów K+ w czasie potencjału czynnościowego

· Niestabilność potencjału spoczynkowego w fazie 4 à obecność powolnej spoczynkowej depolaryzacji

(zwanej też potencjałem rozrusznikowym lub przedpotencjałem...