Akčný potenciál a srdce

Pokojový membránový potenciál

V pokoji je bunka v polarizovanom stave. Intracelulárne je prevaha aniónov a extracelulárne prevaha katiónov. Rozdiel elektrochemických potenciálov na obidvoch stranách membrány v pokoji bunky sa volá pokojový membránový potenciál. Pri podráždení bunky sa táto polarita na membráne otočí a vzniká akčný potenciál.

Kardiomyocyt a ostatné živé bunky majú rozdielne koncentrácie katiónov a aniónov na obidvoch stranách membrány. Najdôležitejšie ióny pre potenciál bunky sú K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Cl^- a proteiny, ktoré majú negatívny el. náboj.

V bunke sa nachádzajú proteiny, ktoré neprechádzajú membránou a majú negatívny el. náboj. V pokoji je membrána bunky priepustná hlavne pre K⁺. Relatívna priepustnosť pokojovej membrány bunky pre ióny je pre K⁺ 90%, Na⁺ 3% a Cl^- 7%, pre ostetné ióny je pokojová membrána nepriepustná. Skrátka najpodstatnejšia je voľná, takmer "100%" difundibilita membrány pre K⁺. K⁺ a jeho takmer "100%" difundibilita zohráva kľúčovú úlohu na udržiavaní pokojového membránového potenciálu.

Draslík

Intracelulárna koncenrácia K⁺ je 150 mmol a extracelulárna 5 mmol. Keďže je membrána bunky v pokoji priepustná takmer "100%" pre K⁺, tak K⁺ difunduje po koncentračnom spáde smerom z bunky. Chemický gradient gradient vytláča pozitívne nabitý K⁺ z bunky a tak stúpa intracelulárny negatívny náboj, pretože stúpa koncentrácia negatívne nabitých proteinov, ktoré neprechádzajú membránou. Elektrický gradient, keď K⁺ vystupuje z bunky, tak stúpa koncentrácia intracelulárnych negatívne nabitých proteinov a stúpa tak negatívny intracelulárny náboj. Tento negatívny intracelulárny náboj proteinov ťahá extracelulárny K⁺ naspäť do bunky. No a v okamihu, keď sa tieto dve sily vyrovnajú chemický gradient = elektrický gradient, tak nastane rovnovážny stav. Čite rovnovážny potenciál K⁺. To znamená, že cez membránu nebude prechádzať ani jeden ión K⁺.


Rovnovážny potenciál pre K⁺ vypočítame pomocou Nernstovej rovnice, do ktorej dosadíme koncentrácie K⁺ na oboch stranách membrány.... a dostaneme číslo -96 mV.

Rovnovážny potenciál -96 mV je potrebný na udržanie iónov K⁺, aby nedifundovali z bunky von po chemickom gradiente. Záporné znamienko -96 mV znamená, že intracelulárna strana membrány má negatívny náboj. Posun hodnoty smerom k nule sa označuje ako depolarizácia. Ak stúpne extracelulárna koncentrácia K⁺ z 5 na 40 mmol, tak chemický gradient sa zníži. Na udržanie K⁺ bude tak potrebný menší elektrický potenciál, v tomto prípade cca -35 mV.
Jednoducho, keď stúpa koncentrácia K⁺ v extracelulárnom priestore, tak je potrebný menší elektrický potenciál na zabránenie difúzie K⁺ z bunky.

Lenže, membrána bunky je v pokoji priepustná pre K+ a minimálne pre Na+, Cl-. Keď vypočítame pomocou Nernstovej rovnice pokojový membránový potenciál bunky pomocou všetkých 3 iónov, tak dostaneme číslo -90 mV a rovnovážny potenciál K+ je -96mV. Na udržanie K+ v bunke je potrebný potenciál membrány -96mV, len membrána má -90 mV. K+ tak bude pomaly difundovať cez membránu z bunky von. Chemický gradient sa tak bude pomaly strácať.

Bunka preto vynakladá energiu vo forme ATP za pomoci 3Na/2K pumpy, aby tento chemický gradient K+ 150 mml vs. 5 mmol udržala. V skutočnosti je membrána minimálne priepustná aj pre ióny Na+, ktoré difundujú do bunky a spomínaný K+ z bunky. 3Na/2K pumpa tak pumpuje K+ späť do bunky a Na+ von z bunky v pomere 2K+ za 3Na+.

Sodík

Extracelulárna koncentrácia Na⁺ je väčšia ako intracelulárna. Chemický gradient tak tlačí Na⁺ do bunky. Rovnovážny potenciál pre Na⁺ dľa Nernstovej rovnice je 52 mV. Pozitívna hodnota preto, lebo aby nedošlo k difúzii Na⁺ do bunky, tak bunka musí tlačiť proti chemickému gradientu Na⁺ elektrickou silou 52 mV. Jednoducho intracelulárny priestor by musel mať pozitívny náboj 52 mV, aby nedošlo k prestupu Na⁺ do bunky po chemickom gradiente.

Lenže membránový potenciál je -90 mV, ktorý ťahá Na⁺ do bunky. Tak potenciál Na⁺ 52 mV a potenciál membrány -92mV pôsobia jedným smerom. Čistá elektrochemická sila, ktorá ťahá Na⁺ do bunky je -142 mV. Elektrochemická sila je veľká, ale permeabilita pokojovej membrány pre Na⁺ je malá. Na⁺ tak difunduje do bunky veľmi pomaly.

Počas akčného potenciálu sa otvoria sodíkové kanály a Na⁺ vstupuje masívne do bunky. V bunke tak preváži pozitívny náboj a zmení sa polarita membrány, akčný potenciál membrány tak dosahuje pik 20 mV. Keď malé množstvo Na⁺ vstupuje v pokoji do bunky a relatívne veľké množstvo počas akčného potenciálu, tak v bunke sa hromadí Na⁺. Naopak K⁺ v pokoji difunduje z bunky a počas akčného potenciálu sa eflux ešte zvýši. Membrána tak po každom cykle akčného potenciálu stráca rovnovážny potenciál. Bunka preto musí využiť 3Na/2K pumpu a energiu vo forme ATP aby presunula ióny späť proti chemickému gradientu.

Sodno-draselná pumpa

3Na/2K pumpa sa nachádza v membráne bunky. Pumpa za pomoci energie z ATP čerpá 2K⁺ do bunky za 3Na⁺ z bunky proti chemickému gradientu.
Prenáša tak jeden pozitívny el. náboj extracelulárne, do bunky prinesie 2K⁺ a z bunky vynesie 3Na⁺ (++ vs. +++). Prispieva tak k elektronegativite intracelulárneho prostredia hodnotou -10 mV. V pokoji Na⁺ difunduje do bunky a K⁺ z bunky. Počas akčného potenciálu Na⁺ vstupuje masívne do bunky a K⁺ vystupuje z bunky. Ak sa akčný potenciál zopakuje niekoľko krát, tak nastanú výrazné iónové intracelulárne a extracelulárne zmeny. Tieto zmeny upravuje sodno-draselná pumpa a udržuje východzie koncentrácie Na⁺ a K⁺.
AK pumpa prestane pracovať pre nedostatok ATP, pri hypoxii, alebo pumpu inhibujeme digoxinom. Dochádza tak k hromadeniu K⁺ v extracelulárnom prostredí a dochádza k hyperpolarizácií.

Kalcium

Extracelulárna koncentrácia Ca²⁺ je 2,5mmol a intracelulárna 0,0001mmol. Rovnovážny potenciál Ca²⁺ dľa Nernstovej rovnice je 134mV a pokojový membránový potenciál membrány je -96mV. Veľká elektrochemická sila (96 + 134 mV), ktorá ťahá Ca²⁺ do bunky sa ale prejaví, až keď sa otvoria kalciové kanály počas akčného potenciálu. Po každom cykle akčného potenciálu sa v bunke hromadí Ca²⁺. Ca²⁺ musí byť z bunky priebežne odčerpávané, inak spôsobí dysfunkciu bunky. Ca²⁺ je z bunky odčerpávané dvomi spôsobmi.

Ca ATP pumpou, ktorá za pomoci ATP vytláča Ca²⁺ z bunky proti chemickému gradientu.
Druhý spôsob je 3Na/1Ca výmenník 3Na⁺ sú transportované z bunky za 1Ca²⁺ do bunky. Tento výmenník nepotrebuje na transport energiu vo forme ATP, lebo v pokoji vstupuje do bunky malé množstvo Na⁺ po chemickom gradiente výmenou za Ca²⁺.
Pri depolarizácii bunky stúpne intracelulárna koncentrácia Na⁺ a membránový potenciál sa zmení na pozitívny. Elektrochemický gradient začne vytláčať Na⁺ z bunky a smer 3Na/1Ca výmenníka sa otočí. Na⁺ tak vystupuje z bunky cez výmenník a Ca²⁺ vstupuje do bunky.
Počas depolarizácie - systoly, tak do kardiomyocytu vteká Ca²⁺ a pri repolarizácii - diastole, tak Ca²⁺ opúšťa bunku.

Ak sa zvýši intracelulárna koncentrácia Na⁺ oproti extracelulárnej koncentrácii napr. 50 mmol vs. 150 mmol, tak sekundárne je zvýšená aj intracelulárna koncentrácia Ca²⁺. Zvýšený intracelulárny sodík, znižuje svoj vlastný chemický gradient cez membránu. Do bunky tak vstupuje menej Na⁺ cez 3Na/1Ca výmenník, čiže sa znižuje odčerpávanie Ca²⁺ z bunky a Ca²⁺ sa akumuluje v bunke.




Kedy sa to stane? No keď je znížená funkcia 3Na/2K pumpy, v bunke sa tak hromadí Na⁺ a sekundráne aj Ca²⁺. Pri hypoxii, keď je znížená syntéza ATP, alebo pri inhibícii pumpy liekymi - digoxínom. Toto je mechanizmus inotropného účinku digoxínu. Digoxín inhibuje 3Na/2K pumpu a tak sa hromadí v bunke Ca²⁺. Ca²⁺ sa viažú na troponín C a zabezpečujú kontrakciu kardiomyocytu.

Akčný potenciál v srdci

Kardiomyocyty majú schopnosť tvoriť autonómne a spontánne akčný potenciál, ide o tzv. automaticitu. Srdce si tak určiťý čas dokáže udržať rytmickú činnosť aj po vyňatí z organizmu.

Akčný potenciál sa začína depolarizáciou membrány kardiomyocytu. Podľa rýchlosti depolarizácie delíme bunky srdca na rýchle a pomalé.
Rýchlo depolarizujúce bunky sú v komorách, predsieňach a majú schopnosť kontrakcie. Preto sa volajú aj pracovný myokard.

Pomaly depolarizujúce bunky obsahuje SA, AV uzol, Hisov zväzok a Purkyňové vlákna. Pomaly depolarizujúce bunky tvoria pacemaker a udávajú frekvenciu srdca, pretože v nich sa spontánne tvorí akčný potenciál s najvyššou frekvenciou oproti iným častiam srdca. Tieto bunky majú schopnosť autonómne vytvárať akčný potenciál a rozvádzať ho do celého srdca v určitom poradí. Dávajú tak signál pracovnému myokardu, aby sa kontrahoval. Spolu vytvárajú prevodový systém srdca.

Sinoatriálny uzol - SA uzol, ktorý sa nachádza v pravej predsieni sa spontánne depolarizuje s frekvenciou 60-100/min. a označuje sa ako pacemaker (z angl. udávač tempa). Táto depolarizačná vlna sa potom šíri do celého srdca cez prevodový system. Ostatné časti srdca preberajú túto frekvenciu depolarizácie, pretože sa nestihnú spontánne samé depolarizovať. Šírenie akčného potenciálu cez prevodový systém je nasledovné: Depolarizačná vlna vzniká v SA uzle a pokračuje po svalovine predsieni cez tri zväzky do atriovetrikulárneho uzla - AV uzla, ďalej cez Hisov zväzok a oboma jeho Tawarovými ramienkami do Purkyňových vlákien. Purkyňové vlákne prenesú akčný potenciál do myokardu komôr. V myokarde sa depolarizačná vlna šíri od endokardu k epikardu a od hrotu srdca k báze .

Srdcovú frekvenciu určuje oblasť srdca s najvyššou frekvenciou depolarizácie. Napr. ak bude v predsieňach patologický fokus, ktorý sa bude depolarizovať s frekvenciou 150/min., tak predbehne SA uzol a srdce pôjde 150 úderov za min. Ak v zdravom srdci dôjde k poškodeniu SA uzla, tak frekvenciu bude udávať oblasť s najvyššou frekvenciou po SA uzle, čo je AV uzol, ktorý sa spontánne depolarizuje s frekvenciou 60-90/min., ak zlyhá aj AV uzol, tak úlohu pacemakeru preberú Purkynové vlákna v komorách s frekvenciou 30-40/min.

Akčný potenciál prevodového systému - SA uzla

Ide o akčný potenciál s pomalou, ale spontánnou depolarizáciu. Pomalá je preto, lebo bunky prevodového systému a aj SA uzla majú pomalé Na kanály "funny kanály".

Fáza 4 spontánna depolarizácia

Na konci repolarizácie, keď membrána dosiahne polarizovaný stav -60 mV sa spontánne otvoria pomalé Na kanály "funny kanály" a Na⁺ začne vtekať pomaly do bunky. Bunka sa tak začne depolarizovať, čiže v bunke začne stúpať pozitívny elektrický náboj (z -60 mV na -50 mV). Pri dosiahnutí hodnoty membrány -50 mV sa otvoria dočasné T-type Ca kanály (transient - dočasné). A Ca⁺ začne vtekať do bunky po chemickom gradiente, čo prispeje k depolarizácii bunky na hodnotu -40 mV a otvoria sa ďalšie pomalé L-type Ca kanály (long lasting - dlho trvajúce). Tak vteká do bunky ešte viac Ca⁺ s pozitívnym nábojom a bunka sa ďalej depolarizuje.

"funny kanály" sa nachádzajú v bunkách sinoatriálneho uzla, atrioventrikulárneho uzla a v Purkynových vláknach.

Fáza O

Depolarizácia začala influxom Na⁺ cez pomalé "funny kanály" a influxom Ca⁺ cez L a T-type Ca kanály. Vtekanie Ca⁺ a Na⁺ do bunky je pomalé, tak depolarizačná krivka fázy 0 nemá strmý až kolmý priebeh. Keby tieto pozitívne ióny prešli do bunky obrovskou rýchlosťou, tak vnútro bunky by sa depolarizovalo na cca 10 mV takmer okamžite a krivka fázy 0 by bola takmer kolmá. Ale to nechceme, lebo srdce by išlo 200 úderov za min. v pokoji.

Fáza 3 repolarizácia

Ca kanály sa uzavrú a otvoria sa K kanály a K⁺ začne vytekať po chemickom gradiente z bunky. V tejto fáze je v bunke stále prevaha pozitívnych katiónov Ca⁺, Na⁺, K⁺ oproti pokojovému stavu. Pri efluxe K⁺ z bunky sa bunka repolarizuje, pretože sa znižuje intracelulárny pozitívny náboj.

Na konci 3. fázy sa cyklus spontánne opakuje. Po každom cykle sa ale v bunke hromadí Na⁺, Ca⁺ a z bunky vystúpi K⁺. Koncentrácie iónov treba priebežne upravovať na východziu hodnotu a to zabezpečí 3Na/2K ATP pumpa, Ca ATP pumba a Na/Ca výmenník, viď pokojový membránový potenciál. Každý akčný potenciál vyvolá presun len 1/100 000 iónov, preto činnosť púmp a Na/Ca výmenníka neprebieha nárazovo po každom cykle.

Akčný potenciál pracovného myokardu

Svalovina predsieni, komôr a Purkyňové bunky nie sú schopné spontánne tvoriť akčný potenciál ako bunky prevodového systému (Purkyňové bunky tvoria akčný potenciál len za patologického stavu), sú to nonpacemeker bunky. Tieto bunky majú pokojový membránový potenciál s hodnotou -90 mV (Fáza 4), pretože K kanály ostávajú otvorené pri repolarizácii dlhšie ako pri bunkách SA uzla. K⁺ tak vystupuje z bunky a membránový potenciál sa repolarizuje až na -90 mV, Ca a Na kanály sú zatiaľ zatvorené.

Fáza 4

V tejto fáze má kardiomyocyt kľudový membránový potenciál -90 mV. Povrch je elektropozitívny a vnútro je elektronegatívne. Táto fáza zodpovedá diastole. Kariomyocyt pracovného myokardu čaká na depolarizačnú vlnu od susednej bunky. Intracelulárne je vysoká koncentrácia K⁺, extracelulárne je vysoká koncentrácia Na⁺ a Ca⁺. Tento stav udžiava 3Na/2K ATP pumpa, Ca ATP pumpa a 3Na/1Ca výmenník viď. pokojový membránový potenciál.

Fáza 0

Je fáza depolarizácie. Pri podráždení od susednej bunky sa uzavrú K kanály a otvoria sa rýchle Na kanály a dochádza k masívnemu influxu Na⁺ do kardiomyocytu. Výsledok je rýchla zmena polarity membrány. Povrch kardiomyocytu sa tak stáva elektronegatívny. Elektrický potenciál sa zmení z -90 mV na +30 mV. Vnútro bunky sa zmenilo na kladné – transpolarizácia. Na konci fázy 0 sa na chvíľu otvorí K kanál a efluxom K⁺ zaháji repolarizáciu.

Fáza 1

Je začiatok repolarizácie, ktorý začne otvorením K kanálov a efluxom K⁺. Membrána sa začne repolarizovať. Medzi tým sa otvoria pomalé L-type Ca kanály, ktoré zabezpečia pomalý influx Ca⁺ a fáza repolarizácie sa začne predlžovať a môže vzniknúť - plató (plošina, rovina).

Fáza 2

Influx Ca⁺ cez pomalé L-Type Ca kanály zabraňuje náhlej repolarizácii bunky, preto má krivká vodorovný priebeh - plató. Fáza 2 sa tak zvykne označovať ako plató. Zvýšená intracelulárne koncentrácia Ca⁺ vyvolá navyše eflux Ca⁺ zo sarkoplazmatického retikula a intracelulárna koncentrácia Ca⁺ sa tak ešte zvýši. Ca⁺ sa potom viaže na troponin C a vyvolá kontrakciu kardiomyocytu - systolu.

Fáza 3

Pomalé L-type Ca kanály sa uzavrú a K⁺, začne vystupovať z bunky po elektrochemickom gradiente. Na konci 3 fázy sa cyklus po podráždení opakuje. Po každom cykle sa ale v bunke hromadí Na⁺, Ca⁺ a z bunky vystúpia ióny K⁺. Koncentrácie iónov treba preto priebežne upravovať na východziu hodnotu a to zabezpečí 3Na/2K pumba, Ca ATP pumba a Na/Ca výmenník, viď pokojový membránový potenciál. No každý akčný potenciál vyvolá presun len 1/100 000 iónov, preto činnosť púmp a Na/Ca výmenníka neprebieha nárazovo po každom cykle akčného potenciálu.

Absolútna refraktérna perióda znamená, že kardiomyocyt v ktorom sa začal proces depolarizácie nie je schopný reagovať ani na nadprahový podnet a tak v ňom nevznikne nová depolarizácia. Na kanály sú "inaktivované". Tento mechanizmus chráni srdce pred príliš vysokou frekvenciou kontracií srdca.
Relatívna refraktérna perióda znamená, že v priebehu repolarizácie sa začína postupne obnovovať schopnosť bunky reagovať na podnety. Kardiomyocyt reaguje zo začiatku len na nadprahové podnety, pričom ak dôjde k vyvolaniu akčného potenciálu vo včasnej fáze relatívnej refrakterity, tak akčný potenciál nedosiahne fyziologický tvar a nerozšíri sa po tkanivách srdca. Fyziologický akčný potenciál, ktorý začne z hranice - 90 mV sa označuje ako efektívna refraktérna perióda.

Akčný potenciál v jednotlivých častiach srdca

Krivky akčného potenciálu v prevodovom systéme a v pracovnom myokarde. Akčné potenciály sú premietnuté nakrivku EKG.