Fyziologie srdce
Převodní systém Srdeční buněčná elektrofyziologie
doc. MUDr. Markéta Bébarová, Ph.D,
Fyziologický ústav
Lékařská fakulta Masarykova univerzita
ORGANIZACE KARDIOVASKULÁRNÍHO SYSTÉMU
Role kardiovaskulárního systému
• primární role - distribuce rozpuštěných plynů a dalších živin
několik sekundárních rolí, např.:
-  rychlý přenos chemické signalizace k buňkám (hormony)
termoregulace (p řenos tepla z tělesného jádra k povrchu těla)
imunitní reakce
• role srdce:
- primární role - pumpování krve
- endokrinní funkce (natriuretické peptidy)
ORGANIZACE KARDIOVASKULÁRNÍHO SYSTÉMU
ORGANIZACE KARDIOVASKULÁRNÍHO SYSTÉMU
Dvě hlavní fáze srdečního cyklu
HORNÍ DUTÁ ŽÍLA
DOLNÍ DUTÁ ŽÍLA
FAZE PLNĚNI komor
HORNÍ DUTÁ ŽÍLA
DOLNÍ
EJEKCNI FÁZE
DUTA ZILAnm
rA CAVA
JEDNOSMĚRNÉ CHLOPNĚ	DIASTOLA	SYSTOLA
ATRIOVENTRIKULÁRNÍ (mitrální a trikuspidální)	otevřené	zavřené
SEMILUNÁRNÍ (aortální a pulmonální)	zavřené	otevřené
ORGANIZACE KARDIOVASKULÁRNÍHO SYSTÉMU
Dva hlavní typy srdečních buněk
srdeční buňky pracovního myokardu - specializované pro kontrakci (sinové a komorové buňky)
FUNKČNÍ SYNCITIUM
sarkomera.
mechanická spojení elektrická spojení - gap junctions
íwi)
m
1&^4~-mm
ORGANIZACE KARDIOVASKULÁRNÍHO SYSTÉMU
Dva hlavní typy srdečních buněk
• srdeční buňky pracovního myokardu - specializované pro kontrakci (sinové a komorové buňky)
srdeční buňky převodního srdečního systému specializované pro:
automatickou excitaci (pacemakerová aktivita) vedení excitace
Převodní srdeční systému zajištuje:
1) vznik automatické elektrické aktivity srdce (pacemakerové aktivity), která zahajuje jeho mechanickou aktivitu
2) optimální načasování mechanické aktivity srdce jako pumpy
li
lira;/
vr x
PREVODNÍ SRDEČNÍ SYSTEM
m
SA uzel
smova svalovina
AV uze
Hisův svazek
Tawarova raménka
Purkyňova vlákna
komorová svalovina
^^mmr svalovina /
AV
RARCHIE PACEMAKERU
PŘEVODNÍ SRDEČNÍ SYSTÉM
SINOATRIÁLNI (SA) UZEL
PRIMÁRNÍ pacemaker (60-100 impulzů/min)
PREVODNÍ SRDEČNÍ SYSTEM
SA uzel
DVA TYPY buněk SA-uzlu
PACEMAKEROVE P BUŇKY
s vnitřní automacií
myofibrily
smový myokard
PRECHODNE T BUŇKY
gap junctions
SICK SINUS      y pacemakerové P buňky jsou poškozeny, aktivita je 4< nebo zastavena)
SYNDROME     y přenos excitace z P buněk na sinové srdeční buňky je omezen či
přerušen
PŘEVODNÍ SRDEČNÍ SYSTÉM
• SINOATRIÁLNI (SA) UZEL
PRIMÁRNÍ pacemaker (60-100 impulzů/min)
• ATRIOVENTRIKULÁRNÍ (AV) UZEL
SEKUNDÁRNÍ pacemaker (40-55 impulzů/min)
PREVODNÍ SRDEČNÍ SYSTEM
AV uzel
sin
internodální dráhy
CENTRÁLNI NODALNI BUŇKY
TŘI TYPY buněk AV-uzlu
AN		NH
ATRIO-NODÁLNÍ		NODÁLNÍ-HIS
ZÓNA		ZÓNA
HISUV SVAZEK
atrío-ventríkulární fibrózní bariére
PŘEVODNÍ SRDEČNÍ SYSTÉM
AV uzel
O NÁHRADNÍ (SEKUNDÁRNÍ) PACEMAKER (40-55 impulzů/min; význam při sick sinus syndrome)
o JEDINÁ CESTA ŠÍŘENÍ EXCITACE ZE SÍNÍ NA KOMORY (přechodná oblast mezi NH zónou a Hisovým svazkem))
O ZPOŽDĚNÍ VE VEDENÍ VZRUCHU ZE SÍNÍ NA KOMORY, ~100 ms (významné pro správné načasování kontrakce síní a komor)
O FILTR SUPRAVENTRIKULÁRNÍCH ARYTMIÍ
excitace jsou ze síní na komory přenášeny pouze do určité frekvence -180-200 impulzů/min (ochrana funkce srdce jako pumpy)
PREVODNÍ SRDEČNÍ SYSTEM
• SINOATRIÁLNÍ (SA) UZEL PRIMÁRNÍ pacemaker (60-100 impulzů/min)
• INTERNODÁLNÍ PREFERENČNÍ DRÁHY
• ATRIOVENTRIKULÁRNÍ (AV) UZEL SEKUNDÁRNÍ pacemaker (40-55 impulzů/min)
• HISŮV SVAZEK
• TAWAROVA RAMÉNKA (LEVÉ A PRAVÉ)
• PURKYŇOVA VLÁKNA TERCIÁRNÍ pacemaker (25-40 impulzů/min)
Rychlost vedení excitace v myokardu síní a komor: 1 m/s
0.05 m/s
1 m/s
0.05 m/s
1 m/s 1 m/s
4 m/s
SRDEČNÍ BUNĚČNÁ ELEKTROFYZIOLOGIE
Iontové kanály
Pohyb iontů přes otevřené iontové kanály
po elektrochemickém (koncentračním a elektrickém) gradientu
SRDEČNÍ BUNĚČNÁ ELEKTROFYZIOLOGIE
Iontový podklad akčního napětí
SA uzel
sinová svalovina
AV uzel
Hisův svazek
Tawarova ramenka ->
Purkyňova vlákna
komorová
svalovina
3 lni.rateIIli!ar rnesientjer substance*
Despopoulos, Color Atlas of Physiology © 2003
SRDEČNÍ BUNĚČNÁ ELEKTROFYZIOLOGIE
Iontový podklad akčního napětí
transpolarizace
0 mV
počáteční depolarizace
-80 m V
fáze plato
pozdní repolarizace
/
Interstice Cytosoí
4   klidové membránové napětí (Emr)
(rovnováha depolorizačnfch a repolarizačních proudů)
li
SRDEČNÍ BUNĚČNÁ ELEKTROFYZIOLOGIE
Iontový podklad akčního napětí
^ I P|ató
depolarizace
prahové napětí
■> -65 mV
repolarizace
100 ms
/
to     lK + lK1
mnoho podtypů draslíkových kanálů (proudů)
w
interstice Cytosol
E Na
+
OmV
- V.
mr
K
SRDEČNÍ BUNĚČNÁ ELEKTROFYZIOLOGIE
Iontový podklad akčního napětí
t
aktivační vrátka
inaktivační vrátka
KLIDOVÝ STAV (zavřený)
IN AKTIVOVÁN Y STAV (zavřený)
IN AKTIVACE
(při přetrvávající depolarizaci membrány)
AKTIVACE
(depolarizace nad prahové napětí)
OTEVŘENY STAV
3
SRDEČNÍ BUNĚČNÁ ELEKTROFYZIOLOGIE
Mechanismus depolarizační fáze (fáze 0)
regenerativní (sebeobnovující se) proces
důsledek POZITIVNÍ ZPĚTNÉ VAZBY mezi MEMBRÁNOVÝM NAPĚTÍM a VODIVOSTÍ MEMBRÁNOVÝCH KANÁLŮ (gNa, gCa)
pracovní myokard - /
li
T" depolarizace
vodivost Na+(Ca2+) kanálů
(přímo úměrná frakci Na+ (Ca2+) kanálů v otevřeném stavu)
depolarizační proudy t 'Na Cca)
SRDEČNÍ BUNĚČNÁ ELEKTROFYZIOLOGIE
Refrakterní perioda - pokles dráždivosti
akční napětí
RELATIVNÍ
ochrana srdce před:
o retrográdním šířením excitace (reentry)
o tetanickou kontrakcí při vyšší srdeční frekvenci
■i
SRDEČNÍ BUNĚČNÁ ELEKTROFYZIOLOGIE
Refrakterní perioda - pokles dráždivosti
akční napětí
KLINICKÉ ASPEKTY
EFFEKTIVNI REFRAKTERNÍ PERIODA
(AR P + perioda nepropagujících se odpovědí)
VULNERABILNI PERIODA
(propagující se od poved)
EKG
zvýšena náchylnost kfibrilaci komor!!!
SRDEČNÍ BUNĚČNÁ ELEKTROFYZIOLOGIE
Refrakterní perioda - mechanismus
ZOTAVENI Z IN AKTIVACE
(při repolarizaci)
aktivační vrátka
inaktivační vrátka
KLIDOVÝ STAV (zavřený)
IN AKTIVOVÁN Y STAV (zavřený)
IN AKTIVACE
(při přetrvávající depolarizaci membrány)
AKTIVACE
(depolarizace nad prahové napětí)
OTEVŘENY STAV
3
SRDEČNÍ BUNĚČNÁ ELEKTROFYZIOLOGIE
Pacemakeřová aktivita - mechanismus
SRDEČNÍ BUNĚČNÁ ELEKTROFYZIOLOGIE
Pacemakerová aktivita - mechanismus
prahové napětí
maximální diastolické napětí
FAKTORY URČUJÍCÍ SRDEČNÍ FREKVENCI
1) maximální diastolické napětí
2) strmost diastolické depolarizace
3) prahové napětí pro aktivaci /Ca.L
li
SRDEČNÍ BUNĚČNÁ ELEKTROFYZIOLOGIE
Pacemakeřová aktivita - mechanismus
SLOŽITÝ PROCES, který je VÝSLEDKEM SOUHRY mezi
• REPOLARIZAČNÍMI PROUDY, zejména /K (včetně /KAch)
• DEPOLARIZAČNÍMI PROUDY, zejména /„ /Ca.T a /NaCa
SRDEČNÍ BUNĚČNÁ ELEKTROFYZIOLOGIE
Pacemakerová aktivita - mechanismus
prahové napětí
maximální diastolické napětí
SLOŽITÝ PROCES, který je VÝSLEDKEM SOUHRY mezi
• REPOLARIZAČNÍMI PROUDY, zejména /K (včetně /K Ach)
• DEPOLARIZAČNÍMI PROUDY, zejména /„ /Ca.T a /NaCa
voltage clock & calcium clock
iui
CARDIAC CELLULAR ELECTROPHYSIOLOGY
Pacemaker Activity - Mechanism
The coupled-clock pacemaker system
Action Potential
Membrane paternal
Currents:
Diastôl k
Ca' dynamics
C1CR
Diastôl ť
I
C ICR
raset
Ca' Clock
phases Refilhn9 SR w,th c*
Cycle lengtti
1
Lakatta et al., Circ Res 2010; 106: 659-673
SRDEČNÍ BUNĚČNÁ ELEKTROFYZIOLOGIE
Pacemakerová aktivita - mechanismus
STIMULACE SYMPATIKU
• t cAMP —► t /, a /Ca.T —► t strmost diastolické depolarizace
—► i prahové napětí pro aktivaci /Ca.L (t excitabilita)
SRDEČNÍ BUNĚČNÁ ELEKTROFYZIOLOGIE
Pacemakerová aktivita - mechanismus
STIMULACE PARASYMPATIKU
• i cAMP —*■ i /, a /Ca.T —i strmost diastolické depolarizace
—► t pra hovena pěti pro aktivaci /Ca.L {i excitabilita)
•  aktivace /KAch —► i maximálni diastolické napětí
ml
i?
w
SIŘENI EXCITACE SRDCEM
elektrické pole
(velikost, směr)
SA uzel
sinová svalovina
AV uze
Hisův svazek
Tawarova raménka
rkyňova vlákna
komorová svalovina
				
+	+	+	+	
	+	+	+	
SPŘAŽENÍ EXCITACE S KONTRAKCÍ
Mechanismus spřažení excitace s kontrakcí
SARKOTUBULARNI SYSTÉM
OBDOBNE USPOŘÁDANÍ U SRDEČNÍCH BUNĚK A U BUNĚK KOSTERNÍ SVALOVINY
mi
TERMINÁLNI CISTERNY SR
LONGITUDINALNI TUBULYSR
TRANSVERZÁLNÍ TUBULY
Z-linie
Z-linie
myozinová filamenta
aktinová filamenta
SPŘAŽENÍ EXCITACE S KONTRAKCÍ
Mechanismus spřažení excitace s kontrakcí u kardiomyocytů
KALSEQUESTRIN
Ca2+ puf r v SR
akční napětí
] KONTRAKCE
napětím řízené Ca2+ kanály v buněčné membráně (jak v povrchové membráně, tak v membráně t-tubulů)
M
Ca2+-senzitivní kanály SR uvolňující Ca
2+
SPŘAŽENÍ EXCITACE S KONTRAKCÍ
Molekulární mechanismus kontrakce
TVORBA PRICNYCH MŮSTKU MEZI VLÁKNY AKTIN U A MYOZINU
MECHANISMUS IDENTICKY U SRDEČNÍCH BUNĚK AU BUNĚK KOSTERNÍHO SVALSTVA
li
myozinová filamenta
aktinová filamenta
Z-linie
SPŘAŽENÍ EXCITACE S KONTRAKCÍ
Molekulární mechanismus kontrakce
KC
OMPLEX TROPONIN-TROPOMYOZIN
Troponin Act in   C   I   T Tropomyosin
Traponln Trq ponty oslň
Myn^in Dinding íitfti
[blůckedp
KONTRAHUJICI SE SVAL
fit*
Calcium tona
F, + AD
Calcium Eůil  TrůjJĎnnn-lrTCipůmyů-5irt templů*, niůvůíí
SPŘAŽENÍ EXCITACE S KONTRAKCÍ
Molekulární mechanismus kontrakce
SPŘAŽENÍ EXCITACE S KONTRAKCÍ
Molekulární mechanismus kontrakce
(a)
Z line
*****
«♦**«
**♦**«
l band
Thin filament (actin)
liliím
ilium
'linii)
■on))))
Ullllll
JL
M line
A band
Thick filaments (myosin)
«*«
Z line
WH
4tm
***♦+
l band
(b)
tg
I band
\7	......................<
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
A band
I band
4596
ELECTROMECHANICAL COUPLING
Contractility
= ability of cardiac muscle cell to contract at constant initial (resting) length of the sarcomere
Contractility is regulated by INOTROPIC FACTORS
■
■
that cause changes in excitation-contraction coupling (positive or negative) ^contractility
• LIGAND-RECEPTOR INTRACELLULAR PATHWAYS at:
> activity of AUTONOMIC NERVE SUPPLY to the heart (sympathetic / parasympathetic)
> level of specific HORMONES in the blood
• FREQUENCY EFFECT
t mechanical response to an increased frequency of stimulation
ELECTROMECHANICAL COUPLING
Mechanism of Frequency Effect
Na+/Ca2+
exchanger Ca2+-ATPase
3Na-
ELECTRICAL SYSTOLE
[Ca2*];
ELECTRICAL DIASTOLE
Ca2+ INPUT
Ca2+ OUTPUT
frequency
shortening of electrical diastole =>i   h input >C   h output
"MCa 2+]:^> 1s contractility