Srdeční akční potenciál
VKP 2017
5. 5. 2017
?
?
?
?
?
?
(
Michael G et al. Cardiovasc Res 2009;81:491-499
Published on behalf of the European Society of Cardiology. All rights reserved. © The Author
2008. For permissions please email: journals.permissions@oxfordjournals.org
Schématický akční srdeční potenciál (AP) s fázemi a hlavními odpovídajícími intovými
proudy
Schématický akční srdeční potenciál (AP)
s fázemi a hlavními odpovídajícími intovými
proudy
 (A) Červený (depolarizující) proud; modrý (repolarizující) proud.
Horizontální linie indikují oblasti AP, během kterých se každý proud
odehrává.
 IK1, inward-rectifier background K+ current;
 INa, Na+ current;
 Ito, transient-outward K+ current;
 IKs, slow delayed-rectifier K+ current;
 IKr, rapid delayed-rectifier K+ current;
 If, ‘funny’ current (sometimes called ‘pacemaker current’ because of
its apparently important role in cardiac pacemaker function).
 (B) Různé specializované tkáně v srdci a typické odpovídající akční
potenciály. Krátké vertikální linie indikují čas začátku aktivity v SA uzlu
pro jeden úder.
 Zeleně-tkáně s pomalými kanály(uzly); fialově- tkáně s rychlými kanály
Akční potenciál kardiomyocytů
 Rychlý vstup iontů Na+ přes voltage –gated Na-kanályrychlá
depolarizace. Aktivace proudu Na+ do buňky (INa) je
závislá na napětí i na čase (několik ms).
 Aktivace voltage dependentních přechodných proudů K+
směrem z buňky (Ito, kódováno Kv4.3, KChIP2).
 Influx Ca++ do buňky cestou Ca++ kanálů typu L (ICaL ).
Tento proud přivádí relativně malé množství Ca++ do buňky,
ale dostatečné pro podporu kritického uvolnění kalcia přes
ryanodynový receptor do cytosolu ze SR (kalciem
indukované uvolnění kalcia).
 Cytosolové kalcium je vráceno na své bazální diastolické
hodnoty koordinovanými aktivitami Na-Ca++ výměníku
(NCX) a SERCA2a, který moduluje rychlé zpětné vychytání
intracelulárního Ca do SR.
Akční potenciál kardiomyocytů
 Transmembránové napětí se vrací do klidových
hladin intracelulární elektroneutrality
koordinovanými aktivitami několika draslíkových
proudů směrem z buňky s unikátními
elektrofyziologickými a farmakologickými
vlastnostmi.
 Membránový potenciál Vm rychle reagujících
myocytů je v klidu „uzamčen“ usměrňovačem K
proudu směrem dovnitř (Ik1, kódován rodinou
Kir2.x genů). Pokud dojde k pasivní elevaci Vm na
práh aktivace pro Na+ kanály (depolarizací nebo
proudem aplikovaným zvenčí), začíná nový akční
potenciál.
Akční potenciál kardiomyocytů
Délka akčního potenciálu je výsledkem
delikátní rovnováhy mezi četnými kanály,
závislými na napětí a na čase.
Prodloužená repolarizace: QT syndrom,
srdeční selhání
Zkrácená depolarizace-ischémie. Ačkoliv
dochází ke zkrácení AP, rekrakternost je
často prodloužená (postrepolarizační
refrakternost)
INa
INa je možno rozdělit na vrchol a pozdní komponentu.
Obě složky jsou přítomny fyziologicky
Pozdní složka je posílena u srdečních patologií
Pozdní komponenta proudu Na+
(Ina)
 1-2% západní populace má chronické srdeční selhání, jehož incidence
se dramaticky zvašuje po 70 letech věku
 Více než 50% těchto pacientů umírá na arytmie a náhlou srdeční smrt.
Antiarytmika u těchto pacientů nedostatečně účinná
 Příčinou těchto arytmií jsou komplexní strukturální a elektrické
remodelační procesy v odpovědi na poškození myokardu.
 Elektrická remodelace je spojena s rozvojem atriální fibrilace a
potenciálně letálních ventrikulárních arytmií.
 Elektrická remodelace je spojena s alterací četných iontových kanálů a
alterovaným pohybem Ca2+ v srdečních buňkách. Dochází k
prolongaci akčního potenciálu a s objevením se časných následných
depolarizací (EADs).
 Komplexní hra mezi různými iontovými kanály se účastní v remodelaci
akčního potenciálu. Jedná se zejména o Ik, Ica a stálé komponenty INa.
Také změněné hustoty a změny prostorové distribuce IK, ICa a INa se
objevují o srdečního selhání.
Cirkulus viciosus zvýšeného pozdního Na+ proudu při srdeční
patofyziologii: na sodíku závislý zvýšený proud Ca2+ spouští aktivitu
Ca2+/calmodulin-dependentní protein kinázy II a podporuje Na+ proud
dovnitř, což má za následek prolongaci akčního potenciálu a časnou
následnou depolarizaci v důsledku přetížení Na+; zvýšené Ca 2+ v
diastole je vyloučeno z buňky cestou NCX, což způsobuje depolarizující
vstupní proud Na+ s potenciální pozdní následnou depolarizací (DAD);
vyšší aktivita Ca2+/calmodulin-dependent protein kinázy II znovu
aktivuje cirkulus viciosus
Poškození myokardu ischémií zahrnuje
 1. Intracelulární acidózu
 Ztrátu intracelulárního kalcia
 Akumulaci metabolitů
 2. Intracelulární zvýšenou hladinu kalcia
(ionizovaného)
 Ztrátu funkce/exprese gap junctions
 Irreverzibilní poškození buňky
 3. Zvýšenou úroveň oxidačního stresu
 Progresivní akumulaci ROS
 Mitochondriální dysfunkci
Model regulace hladin a aktivit p53 a HIF-1α v závislosti na
délce trvání hypoxie Cell Death Dis. 2011 May; 2(5): e164.
Vliv ischémie na tvar a trvání akčního potenciálu
Ischémie
Zkrácení QT
Elevace ST
Příčiny:
 Depolarizovaný klidový membránový
potenciál
 Pomalejší nárůst depolarizace
 Redukovaná amplituda a trvání AP
Klidový membránový potenciál
v podmínkách ischémie
 rychlá depolarizace klidového potenciálu (již v
prvních 2 minutách): to je způsobeno rychlou
redistribucí K+ z intracelulárního do
extracelulárního prostoru v důsledku otevření
vnějšího ATP senzitivního K+ proudu (K-ATP)
 inhibice Na/K ATPázové aktivity
 intracelulární ztráty draslíku (hyperkalémie?) v
důsledku anaerobní glykolýzy a intracelulární
acidifikace.
 Protože v klidu je Vm definován poměrem extra a
intracelulárního K+, hyperkalémie způsobí elevaci
Vm do depolarizovanějších hodnot, což ovlivní
otevření voltage senzitivního INa.
Rychlý flux Na do buňky
 Relativní depolarizace klidového membránového
potenciálu během ichémie má za následek
supresi excitability myocytů částečnou inaktivací
voltage dependentního INa. To se projeví redukcí
rychlosti nárůstu a menší amplitudou depolarizace
v AP.
 Redukce amplitudy AP ovlivňuje řadu voltagedependentních
membránových proudů, jako Ito a
ICaL.
 Pokles nárůstu INa je příznakem redukované
excitability, což predisponuje k rozvoji blokády
vedení /reentry.
Regulace srdeční frekvence v
sinoatriálním uzlu (SAN) inhibičními
G-proteiny
Acetylcholin uvolněný z vagu se váže na
muskarinový (M2) receptor, který je
spojen s inhibičním G-proteinem.
Dimer βγ aktivuje „inward rectifying
potassium (GIRK) channel“ spojením s
G-proteinem, což vede ke zpomalení
sinusivého „pálení“, poklesu akčního
potenciálu a k potenciaci tvorby arytmií.
Regulátory signalizace G proteinu
(RGS) vstupují do interakce s αpodjednotkou
Gi, což vede až ke zpětné
tvorbě heterotrimeru.
AC, adenylyl cyclase; cAMP, cyclic AMP;
PKA, protein kinase A; HCN,
hyperpolarization-activated cyclic
nucleotide-gated channel.
Intercelulární komunikace
Gap junctions (konexiny), v komorách Cx43.
Srdce jako funkční „ syncytium“.
H+, Ca++, Mg++, AA, lysofosfoglyceridy a ATP
modulují funkci gap junctions.
Redistribuce těchto metabolitů v iniciálních
fázích ischemie vede ke snížení vedení přes
gap junctions.
Zvýšená fosforylace GJ-další snížení jejich
funkce (PAK)
Komponenty srdečních interkalátních disků
Intracelulární Na+/Ca++ přetížení
 Nízké pH v buňce (laktát aj) stimuluje Na/Ca výměník
(NCX) ve snaze vyloučit H+ z buňky. To vede k akceleraci
vstupu Ca++ do buňky přes reverzní způsob aktivity NCX
ve snaze obnovit intracelulární hladinu Na+ a zabránit
akumulaci H+. Tento transitní Iti proud může vést ke
zvýšené hladině kalcia v cytosolu a spontánnímu nárůstu
membránového potenciálu, který se manifestuje jako
pozdní následná depolarizace“ (DAD).
Přechodný K proud směrem z buňky
 Ito je odpovědný za časnou
repolarizaci a tak ustanovuje
membránový potenciál, ve
kterém se aktivuje kalciový
proud typu L.
 Fyziologicky postupná
redukce density Ito od
epikardu k endokardu.
 Při ischémii:
 V důsledku redukce
amplitudy dochází k aktivaci
Ito na méně depolarizovaném
membránovém potenciálu a
vzniká i při menší denzitě.
 Redukce Ito v důsledku
acidózy a hypoxie.
ATP-senzitivní K proud
 Spojuje mebránovou excitabilitu s metabolismem.
 K-ATP kanály jsou regulovány intracelulárními
nukleotidy, membránovými fosfolipidy, protein
kinázami, fosfatázami.
 Oktamery se 4 páry Kir6 podjednotkami a
sulfonylureovými receptory. V myokardu otevření
sarkolemmálních K-ATP kanálů chrání buňky v
podmínkách zvýšených metabolických nároků
(ischemické preconditioning).
 Otevření sarkolemových K-ATP kanálů vede k
rychlému zkrácení AP a podílí se na ztrátě
extracelulárního K+, a to v podmínkách následné
redukce excitability myocytů.
Molekulární struktura KATP kanálu.
(a)KATP je heterooktamer používající
dvě podjednotky: podjednotku
Kir6.x (Kir6.1 nebo Kir6.2) tvořící
póry a regulační podjednotku
receptoru pro sulfonylureu SUR
(SUR1 nebo SUR2).
(b)Membránová topologie SUR a
Kir6.x. Receptor pro sulfonylureu
má tři transmembránové domény
TMD0, TMD1 a TMD. Kir6.x má dvě
transmembránové domény.
K-ATP-kanál
The structure and function of SUR and the KATP channel.
A, The KATP channel is a heterooctamer composed of 4 Kir6 subunits and 4 SUR
subunits. The 4 centrally located Kir6 subunits form the pore, whereas the
peripherally located SUR subunits play a regulatory role.
B, Interaction between 1 Kir6 and 1 SUR subunit is shown with the channel
closed. SUR interacts closely with the Kir subunit via the TMD0 domain and a
linker region, L0, which are located at the N terminus of SUR. SUR also contains
2 TMDs (TMD1 and TMD2) and 2 NBDs. NBD1 is located on the cytoplasmic face
of the molecule, between TMD1 and TMD2. NBD2 is cytoplasmic and is near the
C terminus of the molecule. The NBDs are in close association and have a
functional interaction upon ATP hydrolysis. Also depicted is the variable C42 (Cterminal
42 aa), which interacts closely with and regulates ATP hydrolysis at
NBD2. C42 is similar between SUR1 and SUR2B but is significantly different
between the former 2 isoforms and SUR2A, a feature that plays a significant part
in the differential gating of KATP channels containing the different subunits. ATP
is bound both to NBD1 and NBD2 when the KATP channel is closed.
C, Upon hydrolysis, NBD2 is bound to MgADP. This binding of NBD2 is believed
to induce a conformational change that is communicated to Kir via the TMD0/L0
region of SUR, relieving the tonic inhibition of ATP on the Kir subunit and resulting
in channel opening.
K-ATP kanály odpovídají na změny poměru ATP/ADP v regulaci K+ proudu
řízeného koncentračním gradientem
K-ATP kanál - exprese
 Pankreas, mozek, sval
 Pankreas: SUR1 and Kir6.2 podjednotky. Na SUR1
se váže sulfonylurea a inhibuje aktivitu K-ATP
kanálu, což vede ke zvýšení uvolnění insulinu
 Exprese i na glukagon-sekretujících [alfa]-buňkách
a na somatostatin-sekretujících [delta]-buňkách
 V mozku patrně zabraňují záchvatům. Fungují jako
glukózové senzory. Neuronální ischemické
preconditioning.
Mitochondriální membránový potenciál a
„metabolic sink block“
Ischémie- repefúze
Produkce ROS, které otevírají aniontové
kanály vnitřní mitochondriální membrány a
způsobují oscilaci až kolaps mitochondriálního
membránového potenciálu a následné
uvolnění ROS do cytosolu. To může vést k
aktivaci povrchového K-ATP proudu , který
zkracuje AP a má za následek neexcitabilitu
buněk.
Role oxidativního stresu při klinické arytmii
Elektrická remodelace
Endoteliální dysfunkce
Cyklická aktivace K-ATP proudu
vedoucí k metabolickému bloku v
podmínkách poškození typu
ischémie/reperfúze
Ovlivnění kanálů
K-ATP kanál
KATP kanál jako metabolický senzor pro
hypoglykémii
hyperglykémii
ischémii
a hypoxii.
Redukce funkce Ca++ proudu typu L u síňové fibrilace (AF)
Michael G et al. Cardiovasc Res 2009;81:491-499
Published on behalf of the European Society of Cardiology. All rights reserved. © The Author
2008. For permissions please email: journals.permissions@oxfordjournals.org
●CaM, calmodulin; Cav1.2, α-subunit of L-type Ca2+ channel.
K předchozímu obrázku:
● Procesy, které se podílejí na redukci L-typu Ca2+ proudu u
atriální fibrilace (AF).
● Změny způsobené AF jsou označeny červeně.
● Protože Ca2+ vstupuje do buňky při každém akčním
potenciálu (AP), zvýšení frekvence AP podporuje vstup Ca++
do buňky. To podporuje vazbu Ca++ na kalmodulin, aktivaci
kalcineurinu a defosforylaci a následný nukleární transport
NFAT (nuclear factor of activated T-cells), který má za následek
transkripční downregulaci Ca2+ kanálů. Redukovaný I Ca2+
proud má za následek kratší plateau a zkrácení AP (APD =AP
duration), což zvyšuje pravděpodobnost reentry způsobené AF.
● CaM, calmodulin; Cav1.2, α-subunit of L-type Ca2+ channel.
Patofyziologie podpory síňové fibrilace remodelací v důsledku síňové tachykardie (ATR)
Remodelační změny v důsledku ATR, které ovlivní elektrofyziologii síňových kardiomyocytů a podporují vznik
AF, jsou označeny červeně; vlastnosti kontrolních buněk označeny černě.
ATR vytváří substrát pro mnohonásobné okruhy reentry. To je dáno zkrácením refrakterní periody (RP) a
poklesem rychlosti vedení (CV). Minimální velikost funkčního reentry okruhu je dána vlnovou délkou (WL) nebo
RP a CV. Čím je kratší WL, tím je větší počet reentry okruhů, které se navíc mohou vzájemně udržovat. Pokud
dojde k redukci WL, síně se pohybují z polohy nalevo v černém boxu (málo reentry okruhů, nestabilní arytmie)
doprava (mnoho okruhů, malá možnost je všechny odstranit). APD je snížen poklesem ICaL, zvýšením IK1 a
zvýšením IKACh, c. CV je snížen, protože klesá INa a mění se conexiny (snížený počet, zvýšená heterogenita,
lateralizace konexinů). Abnormality vychytávání Ca++, které vedou k abnormálnímu uvolňování Ca++ během
diastoly, což patrně vede k tvorbě opožděných post depolarizačních ektopických komplexů, které na půdě
reentry substrátu iniciují AF.
APD = action potential duration
Copyright ©2007 American Physiological Society
Nattel, S. et al. Physiol. Rev. 87: 425-456 2007;
doi:10.1152/physrev.00014.2006
Účastníci anisotropního reentry u pacientů s IM
Účastníci anizotropického reentry u
srdečního infarktu (MI)
 Anizotropický reentry je vlivný mechanismus, který
přispívá ke vzniku potenciálně letální post infarktové
komorové tachykardie (černá aktivační mapa v
centrální části obrázku).
 Čísla na mapě znamenají časy elektrické aktivace;
křivkové linie (izochrony) indikují zóny tkáně
aktivované během 10 ms. Nabité izochrony naznačují
velmi pomalé vedení. Silnější černé linie ukazují linie
funkčního bloku vedení, paralelní k orientaci fibril,
které vznikají v důsledku porušeného příčného vedení
v důsledku zvýšené anizotropie post IM.
Účastníci anizotropického reentry u srdečního
infarktu (MI)
 Impuls cestuje pomalu dvěma paralelními proudy podél linií
bloku, které jdou spolu přes centrální koridor reentry cesty.
Červenými body jsou označena místa, ve kterých vedou
remodelace iontových kanálů po IM k arytmických
mechanismům.
 Zvyšuje se tkáňová anizotropie, která způsobuje
jednosměrný blok, což vede k iniciaci reentry v důsledku
down regulace konexinů, redukce počtu a velikosti gap
junctions,omezení spojení side- to- side a tkáňové fibrózy
kolem svalových vláken. Jednosměrný blok je také
favorizován refrakční heterogenitou v důsledku prostorově
heterogenní down regulace K+ kanálů spojenou s
postrepolarizační refrakterností. Pomalejší vedení, které
poskytuje dost času pro obnovení excitability v proximální
části centrálního koridoru, je způsobeno down regulací
konexinu, poklesem INa a redukcí ICaL. Přítomnost
ektopických komplexů pro varibilní prostorovou
refrakternost a iniciaci reentry.
Změny v pohybu Ca2+ a kontraktilitě a potenciální kompenzační funkce
remodelace iontových kanálů, které způsobují prolongaci APD u kongestivního
srdečního selhání
Michael G et al. Cardiovasc Res 2009;81:491-499
Published on behalf of the European Society of Cardiology. All rights reserved. © The Author
2008. For permissions please email: journals.permissions@oxfordjournals.org
Remodelace iontových kanálů v důsledku změn Ca++ a kontraktility
a a její kompenzační potenciál, který vede k prodloužení AP (APD)
během kongestivního srdečního selhání
 (A) normální srdeční akční potenciál (AP) spolu se změnami
aktivity volného intracelulárního Ca++
 (B) Ca2+ koncentrace a kontrakce buněk selhávajícího
srdce vyznačeno zelenými liniemi. Pokles uvolnění Ca++
během systoly snižuje kontraktilitu a způsobuje APDremodelaci
jako následek prolongovaných iontových
proudů.
 Následky této remodelace označeny fialovými liniemi: delší
AP zhoršují průchod Ca++ do buňky, uvolnění Ca++ během
systoly a kontrakci buňky.
Děkuji vám za pozornost