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Membranleitfähigkeit in Phase 1 des kardialen Aktionspotentials

Membranleitfähigkeit in Phase 1 des kardialen Aktionspotentials


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Korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege, aber in Phase 1 des kardialen Aktionspotentials (für Ventrikelzellen) fließen Kaliumionen aufgrund der Öffnung von transdenten Kaliumkanälen. Für mich würde dies einer (plötzlichen) Erhöhung der Leitfähigkeit der Membran für die Kaliumionen, $g_K$, entsprechen, aber ein Blick auf Grafiken im Internet scheint eine solche Änderung der Leitfähigkeit nicht anzuzeigen. Kann mir bitte jemand erklären, warum eine solche Änderung nicht erfolgt (Quellen wären hilfreich).


Hyperkaliämie erneut besucht

Hyperkaliämie ist eine häufige klinische Erkrankung, die tödliche Herzrhythmusstörungen auslösen kann. Die elektrokardiographischen Manifestationen der Hyperkaliämie reichen vom klassischen Sinuswellenrhythmus, der bei schwerer Hyperkaliämie auftritt, bis hin zu unspezifischen Repolarisationsanomalien, die bei leichten Erhöhungen des Serumkaliums beobachtet werden. Wir präsentieren einen Fall von Hyperkaliämie, der ursprünglich als ventrikuläre Tachykardie diagnostiziert wurde, um zu zeigen, wie schwierig eine Hyperkaliämie zu diagnostizieren sein kann. Es wird ein eingehender Überblick über Hyperkaliämie gegeben, bei dem die elektrophysiologischen und elektrokardiographischen Veränderungen untersucht werden, die auftreten, wenn der Serumkaliumspiegel ansteigt. Anschließend wird die Behandlung der Hyperkaliämie diskutiert, wobei der Schwerpunkt auf den Mechanismen liegt, durch die jede Intervention den Serumkaliumspiegel senkt. Eine umfangreiche Literaturrecherche wurde durchgeführt, um einen umfassenden Überblick über die Ursachen und Behandlung von Hyperkaliämie zu geben.

Hyperkaliämie ist eine häufige klinische Erkrankung, die tödliche Herzrhythmusstörungen auslösen kann. Die elektrokardiographischen Manifestationen der Hyperkaliämie reichen vom klassischen Sinuswellenrhythmus, der bei schwerer Hyperkaliämie auftritt, bis hin zu unspezifischen Repolarisationsanomalien, die bei leichten Erhöhungen des Serumkaliums beobachtet werden. Hier beschreiben wir die klinischen elektrokardiographischen Anomalien im Zusammenhang mit Hyperkaliämie und präsentieren eine eingehende Überprüfung der Literatur bezüglich ihrer Behandlung.


Die grundlegende kardiale Elektrophysiologie ist grundlegend für das Verständnis der normalen Herzfunktion in Bezug auf Frequenz und Rhythmus und die Einleitung der Herzmuskelkontraktion. Das primäre klinische Instrument zur Beurteilung von elektrischen Herzereignissen ist das Elektrokardiogramm (EKG), das globale und regionale Informationen über Frequenz, Rhythmus und elektrische Erregung sowie Änderungen der elektrischen Aktivität im Zusammenhang mit Herzerkrankungen, insbesondere ischämischen Herzerkrankungen, liefert. Diese Lehrbesprechung ist auf einem Niveau verfasst, das für Medizinstudenten im ersten und zweiten Jahr geeignet ist. Zu den diskutierten spezifischen Konzepten gehören Ionengleichgewichtspotentiale, elektrochemische Kräfte, die Ionenbewegungen durch Membranen treiben, die Rolle von Ionenkanälen bei der Bestimmung von Membranruhepotentialen und Aktionspotentialen und die Weiterleitung von Aktionspotentialen innerhalb des Herzens. Anschließend werden die elektrophysiologischen Grundlagen des EKGs beschrieben, gefolgt von einer Diskussion darüber, wie Ischämie die zelluläre Elektrophysiologie und EKG-Aufzeichnungen verändert, mit besonderem Schwerpunkt auf Veränderungen der T-Wellen und ST-Segmente des EKGs.

Der Inhalt dieses Lehrberichts ist auf einem Niveau verfasst, das für Medizinstudenten im ersten und zweiten Jahr geeignet ist, die grundlegende kardiale Elektrophysiologie bei normalen und ischämischen Herzen erlernen. Der erste Abschnitt untersucht die ionischen Grundlagen für Ruhemembranpotentiale und kardiale Aktionspotentiale mit einem Fokus auf Nicht-Schrittmacherzellen. Grundlegende Konzepte wie Ionengleichgewichtspotentiale, elektrochemische Kräfte, die Ionenbewegungen durch Membranen treiben, und die Rolle von Ionenkanälen bei der Bestimmung von Membranpotentialen werden diskutiert. Als nächstes wird die elektrophysiologische Grundlage für Elektrokardiogramm (EKG)-Aufzeichnungen entwickelt, wobei die Verwendung von 12-Kanal-EKG-Aufzeichnungen betont wird, um das Herz aus verschiedenen anatomischen Perspektiven zu betrachten. Im letzten Abschnitt wird diskutiert, wie die myokardiale Ischämie die zelluläre Elektrophysiologie, die Weiterleitung von Aktionspotentialen im Herzen verändert und wie diese Veränderungen das EKG bei ischämischen Ereignissen beeinflussen. Diese Übersicht trägt dazu bei, wichtige Konzepte zu überbrücken, die in grundlegenden Lehrbüchern der Physiologie und der klinischen Kardiologie oft getrennt behandelt werden, mit dem Ziel, das Verständnis des Lesers für die physiologischen Grundlagen für die Auswirkungen der Ischämie auf die elektrische Herzaktivität und das EKG zu verbessern.

Normale zelluläre Elektrophysiologie des Herzens.

Alle lebenden Zellen haben aufgrund der Verteilung von Ionen über die Zellmembran ein Ruhemembranpotential, das innerhalb der Zelle relativ zur Außenseite der Zelle negativ ist. Die wichtigsten Ionen, die zum Membranpotential beitragen, sind Na + , K + , Ca ++ und Cl – (Tabelle 1). In einer typischen Zelle ist die Konzentration von K + innerhalb der Zelle höher als außerhalb. Im Gegensatz dazu haben Na + , Ca ++ und Cl – außerhalb der Zelle höhere Konzentrationen als innerhalb der Zelle.

Tabelle 1. Primäre Ionen, die an der kardialen Elektrophysiologie beteiligt sind (11)

Die hohe K + -Konzentration innerhalb der Zelle relativ zur Außenseite (150 vs. 4 mM) erzeugt einen Konzentrations-(chemischen) Gradienten für die Auswärtsdiffusion von K + . Da die Membran für K + durchlässig ist, erzeugt die Ausdiffusion des positiv geladenen Kaliums ein negatives elektrisches Potential innerhalb der Zelle gegenüber der Außenseite. Die Geschwindigkeit der K + -Diffusion nach außen hängt teilweise von der K + -Konzentrationsdifferenz durch die Membran ab. Wenn die K + -Konzentration außerhalb der Zelle erhöht wird (z. B. von 4 auf 20 mM), dann wird der chemische Gradient, der die Auswärtsdiffusion von K + antreibt, verringert. Dies führt zu einer verringerten Bewegung (gemessen als elektrischer Strom) von K + aus der Zelle und einem weniger negativen Membranpotential (d. h. die Membran wird depolarisiert) im Vergleich zu einer normalen externen K + -Konzentration.

Die Auswirkungen von Änderungen des Ionenkonzentrationsgradienten auf das Membranpotential können durch die Nernst-Gleichung (2, 11, 19) beschrieben werden, die das Gleichgewichtspotential für ein Ion berechnet. Das Gleichgewichtspotential ist die Spannung, die erforderlich ist, um einen gegebenen chemischen Ionengradienten über die Membran aufrechtzuerhalten. In der Nernst-Gleichung (Abb. 1) gilt R = universelle Gaskonstante, T = Temperatur (K), z = nein. von Ionenladungen (z.B. z = 1 für K + und Na + z = 2 für Ca ++ ), und F = Faraday-Konstante. Bei normaler Körpertemperatur und z = 1, RT/zF wird −61, wenn der natürliche Logarithmus (ln) in log . geändert wird10. Wenn die innere Konzentration für Kalium [K + ]ich beträgt 150 mM und die Außenkonzentration [K + ]Ö 4 mM beträgt, dann ist das berechnete EK ist −96 mV (EK = −61 log [K + ]ich/[K + ]Ö). Dies bedeutet, dass bei einem Membranpotential von –96 mV keine Nettobewegung von K + durch die Membran stattfindet, da K + durch die Membran im elektrochemischen Gleichgewicht ist. Wenn [K + ]Ö auf 20 mM erhöht, dann wird das neue EK beträgt –53 mV. Mit anderen Worten, bei einem reduzierten chemischen Gradienten ist der EK ist auch reduziert (weniger negativ oder depolarisiert) im Vergleich zu 4 mM [K + ]Ö. Daher erhöht sich [K + ]Ö kann das E . dramatisch beeinflussenK und, wie später beschrieben, das Ruhemembranpotential. Die berechneten Gleichgewichtspotentiale für Na + , Ca ++ und Cl - sind in Tabelle 1 angegeben. Beachten Sie, dass Na + und Ca ++ sehr positive Gleichgewichtspotentiale haben, während Cl - ein Gleichgewichtspotential (−90 mV) hat, das sehr nahe dem Ruhemembranpotential (Ruhe Em).

Abb. 1.Berechnung des Kaliumgleichgewichtspotentials (EK) unter Verwendung der Nernst-Gleichung. R, universelle Gaskonstante T, Temperatur (K) z, Nein. von Ionenladungen F, Faraday-Konstante [K]Ö, außen (extrazellulär) K + Konzentration [K]ich, innen (intrazellulär) K + Konzentration. Bei normaler Körpertemperatur und z = 1, RT/zF wird −61, wenn der natürliche Logarithmus (ln) in log . geändert wird10.

Im Allgemeinen ist das Membranpotential nicht gleich dem Gleichgewichtspotential für K + . In Kardiomyozyten ohne Herzschrittmacher ist das ruhende Em beträgt etwa –90 mV, was weniger negativ ist als das Gleichgewichtspotential für K + (–96 mV). Daher befindet sich K + unter Ruhebedingungen nicht im elektrochemischen Gleichgewicht. Unter dieser Bedingung ist die auf K + wirkende elektrochemische Nettokraft (9, 11) die Ruhe Em – EK, oder –90 mV minus –96 mV, was +6 mV entspricht (Tabelle 1). Dies ist die Kraft, die K + im Ruhezustand E . aus der Zelle treibtm. Depolarisiert die Zelle auf 0 mV, dann wirkt die elektrochemische Nettokraft auf K + (Em – EK) ist 0 mV minus −96 mV, was +96 mV entspricht. Wenn die Zellmembran depolarisiert ist, wird daher die elektrochemische Nettokraft, die auf K + wirkt, um es aus der Zelle zu treiben, stark erhöht, verglichen mit dem, wenn sich die Zelle in ihrem Ruhezustand E . befindetm. Es ist jedoch zu beachten, dass auch im Ruhezustand Em, wenn die elektrochemische Nettokraft klein ist, reicht sie immer noch aus, um K + aus der Zelle zu treiben.

Dies bringt uns zu einem anderen Konzept, das für das Verständnis der Ionenbewegung durch Membranen wichtig ist, und zwar die Membranpermeabilität für das Ion. Beispielsweise wird bei einer gegebenen elektrochemischen Nettokraft die Geschwindigkeit der Auswärtsbewegung von K + verringert, wenn die Membranpermeabilität für K + verringert wird. K + bewegt sich wie jedes der anderen Primärionen durch die Zellmembran über spezifische Ionenkanäle, die sich als Reaktion auf Änderungen des Membranpotentials (spannungsbetriebene Kanäle) oder Liganden, die an mit dem Kanal assoziierte Rezeptoren binden (Rezeptor- betriebene Kanäle) (9, 11). Die Verringerung der Anzahl offener K + -Kanäle in der Membran verringert die Geschwindigkeit der Auswärtsbewegung von K + bei einer gegebenen elektrochemischen Nettokraft (d. h. verringert den elektrischen K + -Strom nach außen), was zu einer Depolarisation führt. In ruhenden Herzzellen ist die Permeabilität für K + sehr hoch im Vergleich zu einer depolarisierten Membran (11, 19). Die relativ geringe elektrochemische Nettokraft, die auf K + im Ruhezustand E . wirktm (ca. +6 mV) wird durch eine sehr hohe Membrandurchlässigkeit für K + (19) ausgeglichen, die eine große Auswärtsbewegung von K + (17) erzeugt und das Ruhe-E . beibehältm in der Nähe der EK. Aus diesem Grund ist K + das Ion, das am meisten für das ruhende E . verantwortlich istm.

Bisher hat sich die Diskussion hauptsächlich auf K + konzentriert. Aber wie K + hat jedes der anderen Primärionen (Na + , Ca ++ und Cl – ) ein zugehöriges Gleichgewichtspotential und eine elektrochemische Nettokraft, die vom Membranpotential abhängt (siehe Tabelle 1). Daher können Änderungen des Konzentrationsgradienten für diese Ionen und der Membranpermeabilität für diese Ionen die Bewegung dieser Ionen durch die Membran beeinflussen und dadurch zum Membranpotential beitragen. Obwohl auf Na + und Ca ++ im Ruhezustand E . große elektrochemische Kräfte wirken,m, ist die Ruhemembranpermeabilität für diese Ionen sehr gering, und daher ist ihre Bewegung in die Zelle viel geringer als die von K + nach außen (11, 19). Folglich tragen Na + und Ca ++ sehr wenig zum Ruhe-E beim verglichen mit K + .

Die Wechselwirkung zwischen elektrochemischen Kräften und Membranpermeabilität wird durch die Goldman-Hodgkin-Katz (GHK)-Gleichung (11, 19) beschrieben, wobei Em wird durch die Summe der Produkte des relativen Leitwertes und des Gleichgewichtspotentials für die Hauptionen bestimmt (Abb. 2). Ionenleitfähigkeit ist ein elektrischer Begriff, der die Membranpermeabilität für ein Ion widerspiegelt (z. B. erhöht eine Erhöhung der Membranpermeabilität für K + durch Öffnen von K + -Kanälen die K + -Leitfähigkeit). Das Verhältnis von gN / A über gT repräsentiert den Leitwert von Na + (gN / A) relativ zum Gesamtleitwert der Membran für alle Ionen (gT). In der zweiten Zeile der Gleichung (siehe Abb. 2) wird der relative Leitwert mit g′ bezeichnet. Der Wert des Gleichgewichtspotentials (E) für jedes der Ionen in der dritten Zeile der Gleichung wird aus Tabelle 1 entnommen. In ruhenden Zellen ist g′K ist sehr hoch, während g′N / A, g'Ca, und G'Cl sind relativ gering. Daher ist das berechnete und beobachtete Ruhe-Em (−90 mV) liegt nahe EK (-96mV). Wenn g′ für jedes Ion unverändert bleibt, dann wird [K + ] erhöhtÖ wird das ruhende E . depolarisierenm weil das berechnete EK wird weniger negativ. Wie später beschrieben, sind Änderungen von g′ für diese Ionen größtenteils für die Änderungen von E . verantwortlichm mit Aktionspotentialen verbunden.

Abb. 2.Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung. Em, Membranpotential g, Ionenleitfähigkeit g′, relative Ionenleitfähigkeit Ex, Gleichgewichtspotential für Spezifizierung x.

Ruhe Em wird aufgrund der hohen Permeabilität der ruhenden Membran für K + hauptsächlich durch nach außen gerichtete K + -Ströme bestimmt.

Bei unveränderter Ionenleitfähigkeit führt eine Erhöhung der extrazellulären Konzentration von K + zur Membrandepolarisation.

In einer ruhenden Herzzelle wandert K + nach außen und Na + und Ca ++ in die Zelle, wenn auch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Dennoch würde dieser Austritt von Ionen im Laufe der Zeit einen Verlust der chemischen Konzentrationsgradienten für diese Ionen verursachen und das Membranpotential aufheben. Daher sind Mechanismen erforderlich, um die Ionenkonzentrationsgradienten über die Membran hinweg aufrechtzuerhalten. Dies wird durch Ionentransport und -austausch erreicht. Abbildung 3 beschreibt drei wichtige Mechanismen im Zusammenhang mit der Herzzellmembran (Sarkolemma), die die Aufrechterhaltung von Ionenkonzentrationsgradienten sicherstellen. Erstens transportiert eine Na + /K + -ATPase aktiv drei Na + -Ionen aus der Zelle im Austausch gegen zwei K + -Ionen, die in die Zelle transportiert werden (8, 11). Dadurch wird sichergestellt, dass das in die Zelle eindringende Na + entfernt und das aus der Zelle verlorene K + in die Zelle zurücktransportiert werden kann. Da mehr Na + aus der Zelle gepumpt wird als K + wieder in die Zelle eindringt (3:2-Verhältnis), erzeugt diese ATP-abhängige Pumpe eine kleine negative Nettospannung innerhalb der Zelle, daher wird diese Pumpe als elektrogen bezeichnet. Ein zweites Transportsystem entfernt Ca ++, das in die Zelle eindringt, im Austausch gegen Na +, das in die Zelle eindringt (4, 6, 11). Dies ist eine energieunabhängige Austauschpumpe. Der Eintritt von Na + in die Zelle über diese Stelle wird gegen Ca ++ ausgetauscht, das aus der Zelle heraus transloziert wird. Das Verhältnis von Na + zu Ca ++ -Austausch beträgt 3:1, daher erzeugt diese Pumpe kleine elektrische Nettoströme. Obwohl dieser Austauscher in Abhängigkeit vom Verhältnis von Na + zu Ca ++ und dem Membranpotential in beide Richtungen arbeiten kann, führt er in ruhenden Zellen im Allgemeinen dazu, dass positive Nettoladungen (Na + ) in die Zelle eintreten (4). Schließlich kann Ca++, das in die Zelle gelangt, auch durch eine Ca++-ATPase-Pumpe entfernt werden (11, 15). Diese energieabhängige Pumpe extrudiert Ca ++ aktiv aus der Zelle und ist daher auch elektrogen, wodurch eine kleine negative Nettospannung innerhalb der Zelle erzeugt wird.

Abb. 3.Ionenpumpen zur Aufrechterhaltung von Na + , K + und Ca ++ Gradienten über die Zellmembran. Die Na + /K + -ATPase verschiebt 3 Na + im Austausch gegen 2 K + -Ionen (3:2-Verhältnis von Na + zu K + ). Der Na + /Ca 2+ -Austauscher dient im Allgemeinen dazu, 1 Ca ++ aus der Zelle im Austausch gegen 3 Na + zu entfernen, das in die Zelle eindringt. Die Ca ++ -ATPase transportiert 1 Ca ++ aus der Zelle ohne Austausch mit anderen Ionen. Verwendung mit Genehmigung von Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Aktionspotentiale und ihre Weiterleitung im Herzen.

Die elektrischen Eigenschaften von Herzzellen können in zwei grundlegende Zelltypen eingeteilt werden: Schrittmacher- und Nicht-Schrittmacherzellen. Schrittmacherzellen befinden sich hauptsächlich in den Sinusknoten (SA) und Atrioventrikulären (AV) Knoten des Herzens. Der SA-Knoten, der sich in der oberen hinteren Wand des rechten Vorhofs nahe dem Eingang der oberen Hohlvene befindet, fungiert normalerweise als primäre Schrittmacherstelle, um die Frequenz und den Rhythmus des Herzens zu steuern. AV-Knoten-Schrittmacherzellen, die sich im unteren/posterioren Bereich des interatrialen Septums befinden, werden normalerweise durch die schnellere Frequenz des SA-Knotens unterdrückt.

Schrittmacherzellen unterliegen einer spontanen Depolarisation (Schrittmacherpotentiale) und haben daher kein echtes Ruhemembranpotential (11). Wenn die spontane Depolarisation eine Schwellenspannung (etwa –40 mV) erreicht, löst sie eine schnellere und vollständigere Depolarisation aus, gefolgt von einer Repolarisation (d. h. ein Aktionspotential wird erzeugt). Die charakteristischen Spannungsänderungen von Schrittmacher-Aktionspotentialen unterscheiden sich aufgrund einzigartiger Eigenschaften von Ionenkanälen in Schrittmacherzellen in mehrfacher Hinsicht von Nicht-Schrittmacher-Aktionspotentialen.

Nicht-Schrittmacher-Herzzellen, die im Mittelpunkt dieses Lehrüberblicks stehen, umfassen die atrialen und ventrikulären Kardiomyozyten und das Purkinje-Überleitungssystem innerhalb der Ventrikel (11). Sie haben echte Ruhepotentiale (typischerweise zwischen –90 und –80 mV), unterliegen einer sehr schnellen Depolarisation bei Aktionspotential-Initiierung und haben eine verlängerte Depolarisationsphase (Plateauphase) (Abb. 4). Die Dauer dieser Aktionspotentiale kann von 200 bis 400 ms reichen, was mehr als 10 Mal länger ist als die Aktionspotentiale in Nerven- und Skelettmuskelzellen.

Abb. 4.Erzeugung des kardialen Aktionspotentials ohne Herzschrittmacher durch Ionenströme (ich). Nr. 0–4 repräsentieren Aktionspotentialphasen. Graue horizontale Balken stellen den Zeitraum des Stromflusses durch spezifische Na + -, Ca ++ - und K + -Kanäle dar. Einwärts gerichtete Na + - und Ca ++ -Ströme bewirken eine Depolarisation, wohingegen nach außen gerichtete K + -Ströme eine Repolarisation bewirken. Verwendung mit Genehmigung von Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com 2016).

Das ruhende Em, wie bereits diskutiert, hauptsächlich durch nach außen gerichtete K + -Ströme (IK1), da die Membranpermeabilität für Na + und Ca ++ in der ruhenden Zelle sehr gering ist, während die K + -Permeabilität hoch ist. In ruhenden Zellen beinhaltet diese Auswärtsbewegung von K + , die manchmal als "K + -Leckströme" bezeichnet wird, K1 Kanäle, die bei ruhenden Membranpotentialen geöffnet sind (9, 17). Dieser nach außen gerichtete Strom treibt das Membranpotential auf einen Wert nahe dem Gleichgewichtspotential für K + . Das Ruhepotential wird als Phase 4 des Aktionspotentials bezeichnet (siehe Abb. 4). Wenn eine Zelle durch ein von einer benachbarten Zelle erzeugtes Aktionspotential schnell auf eine Schwellenspannung (etwa –70 mV) depolarisiert wird, reagiert die Membran, indem sie schnelle Na + -Kanäle und langsame L-Typ Ca ++ -Kanäle öffnet und K + -Kanäle schließt 9, 14). Gemäß der GHK-Gleichung (siehe Abb. 2) depolarisieren diese durch das Öffnen und Schließen der Kanäle bewirkten Leitfähigkeitsänderungen das Membranpotential in Richtung der positiven Gleichgewichtspotentiale für Na + und Ca ++ und weg vom K + -Gleichgewichtspotential. Diese schnelle Depolarisation wird als Phase 0 des Aktionspotentials bezeichnet. Die Zelle erfährt dann eine kleine Repolarisation (Phase 1), weil sich schnelle Na + -Kanäle schließen und ein spezifischer K + -Kanal (Kzu) öffnet (9, 14, 17). Die fortgesetzte Einwärtsbewegung von Ca ++ durch Ca ++ -Kanäle vom L-Typ behält jedoch einen depolarisierten Zustand (Phase-2-Plateau) nach Phase 1 bei. Wenn sich diese Ca ++ -Kanäle zu schließen beginnen, öffnet sich ein anderer Typ von K + -KanalR) (9, 14, 17). Die Verringerung der einwärts gerichteten Ca ++ -Ströme und die Zunahme der nach außen gerichteten K + -Ströme bewirkt eine Repolarisation (Phase 3) und eine Rückkehr zum Ruhepotential der Phase 4, das durch das offene K . aufrechterhalten wird1 Kanäle. Es ist wichtig zu beachten, dass sich Ionen während eines Aktionspotentials in die Zelle hinein und aus dieser heraus bewegen, aber nur eine kleine Anzahl von Ionen relativ zu den internen und externen Ionenpools sind an jedem Aktionspotential beteiligt. Daher ändern sich Ionenkonzentrationsgradienten über die Membran während Aktionspotentialen nicht merklich. Außerdem sorgen Pumpen und Austauscher (siehe Abb. 3) dafür, dass die Ionenkonzentrationsgradienten eingehalten werden.

Aktionspotentiale werden durch Änderungen der Ionenleitfähigkeit durch Öffnen und Schließen von Ionenkanälen erzeugt.

Die schnelle Einwärtsbewegung von Na + ist größtenteils für die schnelle anfängliche Depolarisation verantwortlich.

Eine verzögerte Einwärtsbewegung von Ca ++ in die Zelle verlängert die Depolarisationsphase des Aktionspotentials.

Die Auswärtsbewegung von K + ist verantwortlich für die Repolarisation der Membran zurück zum ruhenden Em.

Wie bereits beschrieben, ist der SA-Knoten die normale Schrittmacherstelle des Herzens. Wenn SA-Knoten-Aktionspotentiale erzeugt werden, breiten sie sich schnell durch die muskulären Wände der Vorhofkammern durch Zelle-zu-Zell-Leitung über ionenleitende Gap Junctions aus, die sich dort befinden, wo zwei Zellen miteinander verbunden sind (9, 16). Der AV-Knoten ist normalerweise die einzige Region zwischen Vorhöfen und Ventrikeln, durch die Aktionspotentiale von den Vorhöfen in die Ventrikel gelangen können (Abb. 5). Es sollte jedoch beachtet werden, dass, da die AV-Knotenzellen Zellen vom Schrittmachertyp sind, sie eine langsame Depolarisationsrate (verringerte Steigung der Phase 0) aufweisen, was die Leitungsgeschwindigkeit von Zelle zu Zelle verringert (11). Daher kommt es zu einer Verzögerung bei der Weiterleitung von Aktionspotentialen durch den AV-Knoten, was eine vollständigere Füllung der Ventrikel nach einer Vorhofkontraktion ermöglicht. Direkt unterhalb der AV-Knotenzellen befindet sich das kurze His-Bündel, das sich in die linken und rechten Bündeläste des Purkinje-Systems teilt, die sich links und rechts des interventrikulären Septums entlangziehen. Die Bündeläste geben kleinere Purkinje-Fasern ab, die die schnelle Weiterleitung von Aktionspotentialen durch die Muskelwände der Ventrikel erleichtern. Die Leitung ist in den spezialisierten, nicht kontrahierenden Kardiomyozyten des Purkinje-Systems sehr schnell, da sie eine große Anzahl von schnellen Na + -Kanälen, insbesondere an Gap Junctions (16), aufweisen und daher eine sehr schnelle Phase 0-Depolarisation durchlaufen. Purkinje-Fasern innerhalb der Ventrikel enden an Kardiomyozyten, die als Reaktion auf Depolarisation eine Kontraktion erfahren.

Abb. 5.Schrittmacherstelle und Leitungsbahnen im Herzen. SAN, Sinusknoten AVN, atrioventrikulärer Knoten LBB, linker Schenkel RBB, rechter Schenkel. Die normale Aktivierungssequenz ist SAN → AVN → LBB und RBB → Purkinje-Fasern → Myokard.

Normales Herz-Elektrokardiogramm.

Die elektrische Aktivierung des Herzens erfolgt, wenn Aktionspotentiale vom SA-Knoten durch die Vorhöfe ausgebreitet, dann über den AV-Knoten in die Ventrikel geleitet und schließlich durch das Purkinje-System in den Ventrikeln verteilt werden. Depolarisation und Repolarisation des Myokards können beobachtet und quantifiziert werden, indem Elektroden auf der Körperoberfläche angebracht werden, um die elektrische Aktivität im Herzen zu messen. Eine Aufzeichnung dieser Aktivität wird als Elektrokardiogramm (EKG) bezeichnet. Das EKG zeichnet Spannungsänderungen auf, nicht die absolute Spannung. Wenn das Herz vollständig repolarisiert oder depolarisiert ist, zeichnet das EKG daher Nullspannung (isoelektrische Basislinie) auf.

Für die EKG-Aufzeichnung durch Anbringen von Elektroden an bestimmten Stellen der Körperoberfläche wurden Standards etabliert (7, 11). Diese Elektroden sind elektrisch so konfiguriert, dass die elektrische Aktivität des Herzens aus verschiedenen Winkeln betrachtet werden kann, was zu einem sogenannten 12-Kanal-EKG führt. In der Praxis werden diese 12 Leitungen gleichzeitig aufgezeichnet, so dass das gleiche elektrische Ereignis in der Zeit aus 12 verschiedenen Winkeln betrachtet werden kann. Sechs dieser Ableitungen enthalten Elektroden, die am linken und rechten Arm sowie am linken und rechten Bein angebracht sind. Diese Ableitungen zeigen das Herz in den folgenden Winkeln: 0° (Ableitung I, linker und rechter Arm), +60° (Ableitung II, rechter Arm und linkes Bein), +120° (Ableitung III, linker Arm und linkes Bein), −30° (Ableitung aVL, linker Arm positiv), −150° (Ableitung aVR, rechter Arm positiv) und +90° (Ableitung aVF, linkes Bein positiv) (Abb. 6). Gemäß Konvention ist 0° die horizontale Linie zwischen dem linken und rechten Arm, die durch das Herz verläuft. Die Pfeilspitzen in Fig. 6 repräsentieren die positive Elektrode für eine bestimmte Ableitungsachse. Die erweiterten Ableitungen (aVL, ein VR, und aVF) haben keine einzelne negative Elektrode wie die Ableitungen I, II und III. Stattdessen werden nicht-positive Leitungen elektrisch gekoppelt, um als eine zusammengesetzte negative Elektrode zu dienen, was den Betrachtungswinkel der positiven Elektrode ändert, die an der Extremität platziert ist. Daher erscheint die gleiche elektrische Aktivität im Herzen in jeder der sechs Extremitätenableitungen unterschiedlich, obwohl der Zeitpunkt der Ereignisse, die die Sequenz der Aktivierung und Repolarisation darstellen, ähnlich ist (siehe Abb. 6).

Abb. 6.Extremitätenableitungen, ihr Betrachtungswinkel, dargestellt durch das axiale Referenzsystem, und das Erscheinungsbild einer normalen EKG-Aufzeichnung für jede der Ableitungen unter Annahme einer mittleren elektrischen Achse von 60°. Pfeilspitzen repräsentieren die positiven Aufzeichnungselektroden für die 3 bipolaren Extremitätenelektroden (I, II, III) und die 3 augmentierten Extremitätenelektroden (aVL, ein VF, und aVR). EKG-Kurven, jedoch nicht das Timing, erscheinen bei gleichzeitiger Aufzeichnung bei verschiedenen Ableitungsansichten des Herzens unterschiedlich. Verwendung mit Genehmigung von Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Die verbleibenden sechs Ableitungen des EKGs zeigen das Herz von der Frontalebene, die senkrecht zu den Extremitätenableitungen steht (Abb. 7). Diese Ableitungen werden als präkordiale (oder Brust-) Ableitungen bezeichnet und als V . abgekürzt1 – V6. Das V1 Die Aufzeichnungselektrode wird auf der Brust rechts vom Brustbein über dem vierten Interkostalraum platziert, und die verbleibenden Elektroden werden links von V . um die Brust gelegt1, mit V6 lateral an der Midaxillarlinie über dem fünften Interkostalraum platziert. Wie bei den Extremitätenableitungen erscheinen die EKG-Kurven in jeder präkordialen Ableitung unterschiedlich, da die elektrischen Ereignisse des Herzens aus einem anderen Winkel betrachtet werden.

Abb. 7.Die Platzierung der präkordialen Brustableitung und das Erscheinen einer normalen EKG-Aufzeichnung für jede der 6 Brustableitungen (V1–V6). EKG-Kurven, aber nicht das Timing, erscheinen bei gleichzeitiger Aufzeichnung bei verschiedenen präkordialen Ansichten des Herzens unterschiedlich. RV, rechter Ventrikel LV, linker Ventrikel. Verwendung mit Genehmigung von Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Für die Extremitäten- und Brustableitungen gibt es Auslegungsregeln (11), die sich wie folgt zusammenfassen lassen:

Eine Depolarisationswelle, die sich in Richtung einer positiven Aufzeichnungselektrode ausbreitet, zeigt eine positive Spannung auf der EKG-Kurve.

Eine Repolarisationswelle, die sich von einer positiven Aufzeichnungselektrode wegbewegt, zeigt eine positive EKG-Spannung an.

Die Spannung ist negativ, wenn sich die Depolarisationswelle von der positiven Aufzeichnungselektrode wegbewegt oder sich eine Repolarisationswelle zur Elektrode hin bewegt.

Depolarisations- oder Repolarisationswellen, die sich senkrecht zur Leitungsachse einer positiven Aufzeichnungselektrode ausbreiten, zeigen keine Nettospannung.

Die Größe der aufgezeichneten Spannung hängt mit der Masse des Muskels zusammen, der eine Depolarisation oder Repolarisation durchmacht.

Es gibt spezifische Komponenten der EKG-Aufzeichnung, die allen Ableitungen gemeinsam sind (Abb. 8). Obwohl diese Komponentenwellenformen in verschiedenen Ableitungen unterschiedlich aussehen können, sind ihre Zeitattribute ähnlich. Die erste kleine Abweichung von der Null-Grundlinienspannung ist die P-Welle, die die Vorhofdepolarisation darstellt. Diese Welle hat bei den meisten Ableitungen eine positive Auslenkung, aber eine kleinere Amplitude als andere Wellen, da die atriale Muskelmasse im Vergleich zu den Ventrikeln klein ist. Die nächste Welle, die im Allgemeinen die größte Spannungsamplitude aufweist, ist der QRS-Komplex, der die ventrikuläre Depolarisation darstellt. Die letzte Welle schließlich ist die T-Welle, die durch ventrikuläre Repolarisation erzeugt wird. Eine atriale Repolarisation wird nicht beobachtet, da sie durch die viel größeren Spannungsänderungen im QRS maskiert wird. Beachten Sie, dass es nach der P-Welle vor dem Auftreten des QRS eine erhebliche Zeitverzögerung gibt. Dies stellt weitgehend die Leitungsverzögerung dar, die innerhalb des AV-Knotens auftritt. Der Zeitraum, der die Vorhofdepolarisation und die AV-Knotenverzögerung umfasst, wird als P-R-Intervall bezeichnet. Es gibt auch ein spannungsfreies (isoelektrisches) Segment zwischen der QRS- und der T-Welle, das die Zeitspanne darstellt, während der sich der gesamte Ventrikel in einem depolarisierten Zustand befindet. Die Kurve ist auch zwischen der T-Welle und dem Auftreten der nächsten P-Welle isoelektrisch, da das gesamte Herz während dieser Zeit repolarisiert wird.

Abb. 8.EKG-Komponentenwellen, Intervalle und Segmente. P, P-Welle repräsentiert die Vorhofdepolarisation QRS, QRS-Komplex repräsentiert die ventrikuläre Depolarisation T, T-Welle repräsentiert die ventrikuläre Repolarisation. Das ST-Segment stellt den Zeitraum dar, in dem die Ventrikel vollständig depolarisiert sind. Das PR-Intervall ist die Zeit, die für die Vorhofdepolarisation und die Übertragungsverzögerung innerhalb des AV-Knotens erforderlich ist. Das QT-Intervall stellt die Gesamtzeit dar, die für die Einleitung und den Abschluss der ventrikulären Depolarisation und Repolarisation erforderlich ist. Verwendung mit Genehmigung von Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Elektrische Vektoren und EKG-Erzeugung.

Die ventrikuläre Depolarisation beginnt mit der Ausbreitung von Aktionspotentialen entlang der linken und rechten Schenkel auf beiden Seiten des Ventrikelseptums. Die linke Seite des Septums depolarisiert zuerst, und daher breitet sich die Septumdepolarisation von der linken zur rechten Seite des Septums aus (Abb. 9 .).EIN). Wenn diese Aktivität von Ableitung II aufgezeichnet wird, kann die Septumdepolarisation eine kleine negative Ablenkung (Q-Welle) oder keine erkennbare Ablenkung aufweisen, da sich die Depolarisation fast senkrecht zur Ableitungsachse bewegt (dargestellt als momentaner mittlerer elektrischer Vektor Abb. 9, schwarzer Pfeil). Eine seitlichere Ableitung wie aVL würde eine deutlichere Q-Welle zeigen, weil sich der Depolarisationsvektor von der positiven Elektrode von aV . wegbewegtL. Nach der Septumdepolarisation breitet sich die Depolarisation in die Herzspitze aus (Abb. 9 .).B). Zu diesem Zeitpunkt geht der momentane mittlere elektrische Vektor fast direkt auf die positive Aufzeichnungselektrode zu, was zu einer großen positiven Spannung führt (R Welle) wird von Ableitung II aufgezeichnet. Wenn dies von aV . aufgezeichnet wurdeR, wäre die QRS-Ablenkung zu diesem Zeitpunkt negativ. Kurz danach, wenn die Depolarisation den Apex verschlingt, wandern Depolarisationswellen nach oben in die Wände des rechten und linken Ventrikels (Abb. 9 .).C). In Leitung II würde dies als kleine positive Spannung aufgezeichnet. Einige Millisekunden später ist der größte Teil des linken Ventrikels und der gesamte rechte Ventrikel depolarisiert (Abb. 9 .).D). Zu diesem Zeitpunkt kann die Elektrode eine kleine negative Spannung (S-Welle) aufzeichnen, da sich die Depolarisationswelle von der positiven Elektrode der Leitung II wegbewegt. Diese Folge der ventrikulären Depolarisation führt zum QRS-Komplex, wie er von Ableitung II aufgezeichnet wird. Jede der anderen 11 Ableitungen zeichnet dieselbe Sequenz auf, jedoch erscheint das QRS anders, da jede dieser Ableitungen das Herz aus einem anderen Winkel betrachtet (siehe Fig. 6 und 7). Die gesamte ventrikuläre Depolarisationssequenz, die durch das QRS repräsentiert wird, erfolgt normalerweise in 0,06–0,10 s.

Abb. 9.Bildung des ventrikulären QRS-Komplexes während der ventrikulären Depolarisation. Die Aufzeichnungselektrode ist als Ableitung II ausgeführt. Die kleinen Pfeile stellen einzelne momentane Vektoren dar. größere Pfeile stellen die momentanen mittleren elektrischen Vektoren dar, die die EKG-Spannung bestimmen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt während der Depolarisation aufgezeichnet wurde. EIN: Septumdepolarisation. B: apikale Depolarisation. C: gleichzeitige links- und rechtsventrikuläre Depolarisation. D: Abschluss der linksventrikulären Depolarisation. Die Leitachse für das QRS-Tracing beträgt 60° (Ableitung II). Angepasst und verwendet mit Genehmigung von Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Die Abfolge der ventrikulären Repolarisation unterscheidet sich deutlich von der Depolarisation, weshalb die T-Welle ein anderes Aussehen hat als das QRS. Based on the rules for ECG interpretation, one might think that the T wave should be negative because the first cells to depolarize should be first to repolarize, which would result in a wave of repolarization traveling toward the same electrode that recorded the QRS. The T wave, however, is normally upright in most leads and has a longer duration than the QRS. Warum ist dies der Fall? The reason is that the last cells to depolarize are the first cells to repolarize (Fig. 10). The last cells to depolarize are located in the subepicardial region (below the outside surface) of the upper left ventricular free wall. The subepicardial cells repolarize first because they have shorter action potential durations than subendocardial cells (3, 14) (inner region of ventricle), and therefore, they undergo repolarization before the subendocardial cells despite those cells depolarizing before the subepicardial cells (see Fig. 10). Therefore, although an overlying recording electrode would record a positive QRS, the wave of repolarization normally travels away from the recording electrode, and by the rules of interpretation, this causes a positive deflection. The T wave is longer in duration than the QRS because it takes longer for the ventricles to repolarize than depolarize. The reason for this is that depolarization involves the high-speed Purkinje system to rapidly conduct action potentials throughout the ventricles, whereas the propagation of repolarization does not involve these pathways, and therefore, it is limited primarily to slower cell-to-cell conduction outside of the Purkinje system.

Fig. 10.ECG recording of ventricular repolarization (T wave). Depolarization of the ventricular wall spreads from the subendocardial (inner wall) cells to the subepicardial cells (outer wall), as shown by the solid arrow. In most leads, the T wave is upright (positive voltage) because the subepicardial (Epi) cells near the ventricular surface, which are the last cells to depolarize, are the first to repolarize. This occurs because subepicardial action potential durations are shorter than subendocardial (Endo) cells (compare solid and dashed action potentials). Therefore, the wave of repolarization travels away from the overlying recording electrode (dashed arrows represent repolarization vectors), which is opposite of the depolarization wave (solid arrow). Used with permission from Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Specific clinical criteria used for determining rate, rhythm, electrical axis, changes in specific time intervals, etc., can be found in clinical cardiology textbooks (7).

The ECG records electrical changes associated with depolarization (atrial P wave, ventricular QRS) and repolarization of the ventricles (T wave) and the timing of those events.

By using a 12-lead configuration, the electrical activity of the heart can be viewed from different angles.

The appearance of the QRS complex differs among the leads in terms of positive and negative deflections but not timing because each lead views the electrical activity of the heart from a different perspective, which can provide important clinical information as to regional electrical activity.

The T wave is normally positive in most leads because the last cells to depolarize are the first to repolarize.

Cellular electrophysiological basis for ECG changes during ischemia.

Ischemia is defined as inadequate blood flow, which reduces oxygen delivery to a tissue. This leads to a fall in tissue partial pressure of oxygen (hypoxia), which in turn causes intracellular ATP levels to decrease because oxygen is required by the mitochondria to make ATP (5). A decline in cellular ATP can affect a special type of K + channel (KATP) that is inactivated by normal cellular ATP levels (9, 18). When ATP falls, KATP channels open and permit K + to leave the cell. Although an increase in outward K + movement would hyperpolarize the cell, the cell ends up in a more depolarized state because extracellular K + concentration increases as intracellular K + decreases. According to the Nernst and GHK equations, this decreases EK, leading to a less negative (depolarized) resting membrane potential (Fig. 11). Furthermore, the loss of ATP may reduce the activity of the Na + /K + -ATPase pump, leading to extracellular accumulation of K + and a loss of the electrogenic contribution of the pump to the membrane potential (12). Therefore, pump inhibition may also contribute to depolarization.

Fig. 11.Effects of ischemia on ventricular action potentials. Ischemic action potential (dashed tracing) has a less negative (depolarized) resting potential, slower phase 0 upstroke, and reduced duration.

Ischemia-induced depolarization also inactivates (closes) fast Na + channels that are responsible for the rapid depolarization of phase 0 (5, 18). This is different from rapid depolarization to threshold, which opens the voltage-operated fast Na + channels. Slow depolarization as it occurs in response to ischemia inactivates these channels, which reduces the number of fast Na + channels available for rapid action potential generation. Because each Na + channel has a slightly different response to graded depolarization, the number of channels inactivated increases with more severe ischemic depolarization. With fewer Na + channels contributing to the initial depolarization, the slope of phase 0 (upstroke velocity) is reduced (5) (see Fig. 11). A resting membrane potential of about −55 mV causes all of the fast Na + channels to become inactivated. An action potential may still occur under this condition however, slow inward Ca ++ via L-type Ca ++ channels will be responsible for phase 0, and the rate of depolarization will be much slower. Finally, ischemic depolarization also shortens the action potential duration, which may be related to the opening of KATP channels (1, 5, 18), leading to earlier phase 3 repolarization.

In atrial muscle, the Purkinje system and ventricular muscle ischemic depolarization can reduce conduction velocity or produce conduction blocks because action potential propagation in these tissues depends primarily on the opening of fast Na + channels, which are inactivated by ischemia (5, 18). Ischemic depolarization of the AV node can depress conduction and cause AV blocks primarily by inactivation of L-type Ca ++ channels (5), which are responsible for phase 0 depolarization in nodal tissue.

Key concepts: cardiac ischemia causes

increased extracellular K + and a less negative EK

fast Na + channel inactivation in nonpacemaker cells

depressed phase 0 slope of action potentials

reduced action potential conduction velocity.

Ischemia can alter the ECG in several different ways. Changes in rate and rhythm, along with conduction blocks, may occur, depending on the location of the ischemic region within the heart. For example, conduction blocks in the left or right bundle branches can occur (7), which alters the sequence of ventricular activation and prolongs ventricular activation times and increases QRS duration. Altered conduction may also lead to the development of reentry circuits and tachycardia, which increases the width of the QRS complex and alters T wave appearance (7).

Ventricular ischemia can alter repolarization and produce T wave inversion. As described previously, ischemia shortens the action potential duration of cells, which results in repolarization occurring earlier than normal. Because subendocardial cells are generally more susceptible to ischemia (10), when these cells become hypoxic they may repolarize before the subepicardial cells. When this occurs, the wave of repolarization travels from the subendocardial to subepicardial surface of the ventricular. Based on ECG rules of interpretation, this causes a negative defection in the T wave recording by an electrode overlying that region of the ventricle (Fig. 12). The appearance of T wave inversion does not necessarily indicate myocardial ischemia, but it is often observed clinically during ischemic events.

Fig. 12.Reversal of T wave by subendocardial ischemia. Ischemic subendocardial cells (solid action potential) have a depolarized resting membrane potential and a shortened action potential duration (↓APD), which can cause repolarization to occur before the subepicardial cells (dashed action potential) repolarize. This will lead to the repolarization wave (dashed arrows) traveling toward the overlying recording electrode, which is generally the same vector orientation as depolarization (solid arrow) this causes a negative deflection of the T wave. Used with permission from Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Although myocardial ischemia frequently causes clinically significant changes in rate, rhythm, or conduction, these changes do not always occur with ischemia. The ECG, however, can provide additional evidence for ischemia by examining changes in the ST segment (7). This segment situated between the end of the QRS and the beginning of the T wave is normally isoelectric (0 mV on the ECG recording) because it represents the period in which all of the ventricular myocytes are depolarized. The ST segment, however, can become depressed or elevated under ischemic conditions. For example, a person with a history of exertional chest discomfort and suspected coronary disease may be evaluated by a stress ECG, which is commonly conducted by having the patient walk on treadmill at different workloads while a 12-lead ECG is recorded. If coronary blood flow is insufficient to support the increased oxygen demand of the heart during exercise, then the tissue will become hypoxic, and depression of the ST segment can occur (Fig. 13) (13).

Fig. 13.ST segment depression resulting from ventricular subendocardial ischemia. The ST segment is normally isoelectric (zero voltage). Used with permission from Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

This type of demand-induced ischemia affects the subendocardium more than the subepicardium (10). Subendocardial ischemia results in depolarization of that region of the ventricular wall (Fig. 14). Because other regions may still be adequately perfused during the exercise, there develops a voltage difference and diastolic injury currents between the normal and ischemic tissue. The injury currents are “diastolic” because they are most prominent when the rest of the ventricle is repolarized. Electrodes will record this injury current as a positive voltage that occurs before the QRS and following the T wave when the ventricles are normally repolarized. When the ventricle becomes more uniformly depolarized after the QRS, the electrode will record a normal isoelectric ST segment. Therefore, with ST segment depression, what actually occurs is that the baseline voltage (before the QRS and after the T wave) is elevated so that the isoelectric ST segment appears to be depressed relative to the baseline.

Fig. 14.Model of ST segment depression associated with subendocardial ischemia. In a resting, repolarized ventricle, subendocardial ischemia produces a region of depolarization, which is recorded as a positive voltage because vectors generated at the boundary between depolarized and repolarized tissue (solid arrows) are directed toward the overlying recording electrode. This elevates baseline voltages observed before the QRS complex and after the T wave. When the entire ventricle becomes depolarized (represented by ST segment), zero voltage is recorded, giving the appearance of ST segment depression relative to the period of ventricular repolarization. Used with permission from Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

ST segment elevation (Fig. 15) is generally a sign of more severe myocardial ischemia and occurs in the majority of acute myocardial infarctions that are caused by complete blockage of a coronary artery resulting from a ruptured atherosclerotic plaque with subsequent thrombus formation. If cardiac enzyme measurements (e.g., troponin) confirm the infarction (cellular death), then it is termed an ST elevated myocardial infarction (STEMI).

Fig. 15.ST segment elevation resulting from ventricular transmural ischemia. The ST segment is normally isoelectric (zero voltage). Used with permission from Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

To understand why the ST segment becomes elevated, similar reasoning can be applied to what was described for ST depression. In the case of ST elevation, there is usually a transmural infarct involving the entire wall thickness of a ventricular region (7). This ischemic tissue becomes depolarized (Fig. 16) because of its inability to maintain normal ion gradients across the cell membranes. When the noninvolved myocardium is repolarized (between the end of the T wave and beginning of the QRS), there exists injury currents created by the separation of depolarized injured tissue and polarized normal tissue. A recording electrode overlying the ischemic tissue will record negative voltages because the electrical vector will be in a direction away from the electrode. Therefore, at a time when the entire ventricle should be repolarized and when the ECG baseline voltage should be zero, the electrode instead records a negative voltage. When the entire ventricle is depolarized with the appearance of the QRS, then the voltage difference between the ischemic and normal tissue disappears and the electrode records an isoelectric ST segment. However, this segment will appear elevated compared with the depressed baseline. Other ECG changes (e.g., formation of prominent Q waves) occur over the hours and weeks following a STEMI (7).

Fig. 16.Model of ST segment elevation associated with transmural ischemia. In a resting, repolarized ventricle, transmural ischemia produces a region of depolarization, which is recorded as a negative voltage by the overlying electrode. This occurs because vectors generated at the boundary between depolarized and repolarized tissue (solid arrows) are directed away from the overlying recording electrode when all but the ischemic tissue is repolarized. This depresses baseline voltages observed before the QRS complex and after the T wave. When the entire ventricle becomes depolarized (ST segment), zero voltage is recorded giving the appearance of ST segment elevation relative to the ventricular period of repolarization. Used with permission from Klabunde RE (http://www.cvphysiology.com, 2016).

Key concepts: ventricular ischemia can produce

ST segment depression or elevation.

Zusammenfassung.

This teaching review builds a foundation for understanding cellular electrophysiology in both the normal and ischemic myocardium. Resting membrane potentials and action potentials, which are determined by ion chemical gradients and changes in membrane ion conductance, are very sensitive to ischemia-induced tissue hypoxia. Ischemia leads to cellular depolarization by altering ion chemical gradients and membrane conductance to ions. These changes alter action potential depolarization and repolarization and depress their conduction within the heart, leading to altered ECG wave morphology, intervals, and segments. Therefore, characteristic changes in the ECG are useful in the diagnosis of myocardial ischemia and infarction.


Electrophysiology and arrhythmogenesis

Intracellular electrodes have been used to demonstrate the potential difference across the cell membrane, and to record the change in this potential difference which occurs during depolarization and repolarization. 1 Using this method, it is possible to detect differences in transmembrane potentials in specialized tissues, to understand the differences and similarities in the electrophysiological properties of different tissues. Furthermore, it is possible to predict the changes in cell depolarization and repolarization which may result from altered electrolyte levels, drugs and, to some extent, myocardial disease. 1

A method to obtain an approximation of the transmembrane voltage in vivo is to record the monophasic action potential (MAP) 3 (Fig. 6.1). Using a catheter with special electrodes at the tip, introduced transvenously into right atrium or right ventricle, the MAP can be recorded when the catheter tip makes close contact with the myocardium. The orientation of the catheter tip relative to the myocardium is important when interpreting the morphology of MAP recordings. 3 Therefore, it has been suggested that results of contact MAP recordings should only be used to determine action potential duration (APD). 4 Determination of the APD is a useful parameter to study the effect of drugs on cardiac electrophysiological characteristics.


All myocytes possess the properties of excitability, refractoriness and conductivity. 6 Like nervous tissue, individual cardiac cells exhibit the all-or-none phenomenon – that is once threshold is reached they are completely activated by an action potential. The cells can therefore be described as excitable . Once the action potential is initiated, cells cannot be depolarized again until they have returned to the resting potential following repolarization. This property of refractoriness ensures that all cardiac cells have a period after activation during which no level of further stimulus will cause an action potential. This prevents heart muscle developing a tetanic spasm, which would prevent relaxation and filling of the chambers, and helps to maintain an organized pattern of depolarization. Myocytes also possess the ability to conduct a stimulus for depolarization to their neighbours. Atrial and ventricular myocytes form two syncytia within which excitation passes from cell to cell through intercalated discs. Other tissues within the heart have specialized conductivity properties so that they conduct the impulse along a network either slowly (atrioventricular node) or rapidly (e.g. Purkinje fibres). While the atrial and ventricular myocytes have contractile function, the cells of the specialized conducting network have no contractile protein.

The electrophysiological features of myocytes result from specific properties of the cardiac cell membrane. 1 Like all living cells, the inside of cardiac cells has a negative electrical charge compared to the outside of cells due to an accumulation of negatively charged ions. This voltage difference across the cell membrane is called the transmembrane potential, which is about −80 to −90 mV. All cells have a very high intracellular concentration of potassium and low levels of sodium and calcium. For most cells this situation remains unaltered throughout their lives. However, excitable cells like cardiac cells have tiny pores or channels in the cell membrane. Upon appropriate stimulation, these channels open and close in a predefined way to allow specific ions to move across the cell membrane. This movement of ions results in changes in the transmembrane potential, from −90 mV to about +20 mV (depolarization), and finally back to −90 mV (repolarization). A graphical presentation of these changes in transmembrane potential is known as the action potential (Fig. 6.2). The currents, and thus the morphology of the action potential, vary in different tissues and determine the different properties of each specialized cell. Also, changes in extracellular ion concentrations, disease and drugs may influence the action potential of the cells. 1


The action potential can be divided into five phases, 0–4 1 , 6 (see Fig. 6.2). However, it is more practical to consider the action potential in terms of three general phases: depolarization, repolarization and resting phase.

After the plateau phase, the final rapid repolarization ( phase 3 ) takes place due to a series of potassium currents out of the cell. In order to maintain the concentration gradients, sodium is pumped out of the cell in exchange for potassium, resulting in a return of the membrane potential towards the resting level ( phase 4 ). 1 , 6 During this final recovery process, the cardiac myocyte gradually regains excitability. This means that the cell is not excitable during phase 1, phase 2 and the beginning of phase 3, regardless of the magnitude of the stimulating impulse. This period is called the absolute refractory period (ARP). As the cell repolarizes, it once again becomes excitable. However, there is a period of time during which the cell can only be excited by a large current. This period is known as the relatively refractory period (RRP). 10

Under normal conditions, membrane potential of atrial and ventricular muscle cells remains steady at around −90 mV throughout diastole ( phase 4 ). However, in certain specialized conducting cells or due to leakage of ions across the cell membrane, the resting membrane potential does not remain constant in diastole but gradually depolarizes. This spontaneous diastolic depolarization may reach threshold potential (around −60 mV) by itself and produce an action potential, a characteristic called automaticity . 6 The rate of this change in potential is mainly determined by a time-related change in membrane potassium or sodium permeability. It is influenced by autonomic tone, electrolytes, drugs and disease. The steeper the slope of phase 4, the faster the rate of automaticity. Phase 4 is steepest in SA nodal cells. However, the AV node and junctional tissue also have automaticity and will take over as pacemaker if the SA node fails to depolarize. In some disease states, Purkinje tissue may also act as a pacemaker, and abnormal automaticity may occur in other cells. 7 , 8 The action potentials of a ventricular and pacemaker cell, showing phases 0–4, are shown in Figure 6.2. Compared to the action potential of a ventricular or Purkinje fibre cell, the sinoatrial and atrioventricular nodal cells have a slow depolarization phase (phase 0). This slower depolarization phase occurs because of a lack of rapid sodium channels responsible for the rapid depolarization phase. The sinoatrial and atrioventricular nodes are mainly dependent on the slow calcium channel for depolarization. Because of the slower rate of depolarization, the sinoatrial and atrioventricular nodes conduct electrical pulses slowly. For the atrioventricular node this slow conduction is reflected on the surface ECG as the PR interval.

The heart is innervated by the sympathetic and the parasympathetic nervous system. Parasympathetic fibres are carried in the vagus nerve and their discharge results in a depressed automaticity (slower heart rate), decreased conduction velocity and increased refractory period. This effect is mediated by the release of acetylcholine at nerve endings, which affects the membrane potential of pacemaker cells, 6 particularly in the SA node and, in horses, in the AV node. The sympathetic nervous system acts on the heart via the release of adrenaline and noradrenaline. This results in an increased automaticity, an increased conduction velocity, a shortened refractory period (cells recover more quickly and permit a higher rate of stimulation) and an increased myocardial contractility. The subcellular effect of these hormones is largely due to effects on contractile proteins however, they also affect transmembrane potentials and alter cardiac rhythm in some circumstances. 8 , 11


When the impulse reaches the AV junction it finds a barrier to further spread. The specialized cells of the AV node conduct the impulse slowly. Because only a small number of cells are depolarized, no deflection is seen on the surface ECG. This period is represented by the P–R interval (see Fig. 6.3B). Conduction through the AV node is profoundly affected by vagal tone in the horse. Even in normal animals, conduction is often sufficiently slowed or reduced in amplitude to result in a marked reduction in the normal rate of conduction (first-degree AV block), or complete abolition of further spread of the impulse (second-degree AV block). 13 ( AR, EA )


It is caused by the movement of positive ions out of the cardiac cell. Or inward current that brings positive charge/ions out the cell and causes depolarization of the cell membrane.

Phase 0

It is caused by a sudden increase in sodium inflow. this results in depolarization of the membrane. At the peak of action potential, the membrane potential approaches the sodium equilibrium potential.

Phase 1

Phase 1 begins with initial repolarization. It is caused by an increased outflow of potassium ions out of the cell and decreased inflow of the sodium ion.

Phase 2

It is the plateau of the action potential that is caused by a transient increase in calcium conductance inside the cell. During this phase, outward and inward currents are equal and thus maintains the plateau phase.

Phase 3

It is a phase of repolarization. calcium conductance is decreased in this phase and potassium conductance increases. Therefore the high potassium conductance results in large outflow of current which results in the hyperpolarization of the membrane. da

Phase 4

Phase 4 is the resting membrane potential.

because of g
therefore, because, therefore
, therefore, because yes please because
Because I know therefore I will not.
Yes because I
Yes because i know it. thank you therefore beacuseknow that cardiac action potential is caused therefore because yes.


The Cardiac Action Potential

The phenomena underlying cardiac electrical activity are best appreciated at the cellular level by understanding the cardiac AP. Figure 2 shows a typical AP with the five different phases indicated. Inward (depolarizing) currents are shown in red and outward currents (bringing the cell back towards the resting potential) are shown in blue.

Phase 0 consists of a rapid depolarization from the resting membrane potential of approximately -80 to -90 mV to the "overshoot" of +40 mV and is caused by the opening of cardiac Na+ channels, which carry a large Na+ current (INa). Phase 0 depolarization is followed by the activation of various outward K+ currents during phase 1, such as the transient outward current (Ito) and the ultra-rapid delayed rectifier (IKur). This early rapid repolarization phase is followed by the activation of phase 2 currents, which constitute fairly balanced inward and outward currents resulting in a phase of relatively constant transmembrane potential, the so-called "plateau" of the cardiac AP. During this phase, inward currents such as the L-type calcium current (ICaL) and the late component of the sodium current (INa,L) balance outward currents such as IKur and the rapidly activating and slowly activating components of the delayed rectifier current, IKr and IKs. Ca2+ influx during the plateau phase is essential for electromechanical coupling, as Ca2+ ions trigger movement of the contractile filaments causing cardiac contraction. Phase 3 is the final rapid repolariza-

Fig.2 Schematic of a typical cardiac action potential (AP), which is a recording of intracellular voltage as a function of time. The four phases are indicated, along with the ionic currents responsible for shaping the AP. Current direction is definedby the movement of positive ions. Ions that are at higher concentration in the extracellular space (like Na+ and Ca2+) move into the cell when the membrane allows them through, carrying depolarizing (inward) current. K+, which is more concentrated inside the cell, tends to move out, carrying repolarizing (outward) current. NCX, Na+,Ca2+-exchanger current

300 ms

Fig.2 Schematic of a typical cardiac action potential (AP), which is a recording of intracellular voltage as a function of time. The four phases are indicated, along with the ionic currents responsible for shaping the AP. Current direction is definedby the movement of positive ions. Ions that are at higher concentration in the extracellular space (like Na+ and Ca2+) move into the cell when the membrane allows them through, carrying depolarizing (inward) current. K+, which is more concentrated inside the cell, tends to move out, carrying repolarizing (outward) current. NCX, Na+,Ca2+-exchanger current tion phase of the AP and is dominated by the outward K+ currents IKr and IKs. After repolarization is complete, maintenance of the resting membrane potential during phase 4 is controlled by the inward rectifier current (IK1). In regions with pacemaker activity, such as the SAN, the hyperpolarization-activated current If is able to depolarize cells during phase 4, reaching the threshold for firing and producing pacemaker activity. The AP morphology varies in different regions of the heart because of heterogeneity in ion-current expression (Feng et al. 1998 Li et al. 2001 Wang et al. 1998). In addition to the currents mentioned above, other membrane currents such as IKATP, IClCa, and the Na+,Ca2+-exchanger current (NCX) play a role. Disease states that predispose the myocardium to arrhythmia are often linked to changes in the expression of these currents (Nattel and Li 2000).


Cardiac muscle action potential.

Normally -90mV(non pacemaker)

Depolarisation 2ms, total 200-400ms.

Ganong’s Review of Medical Physiology, 24th Edition

  • The initial rapid depolarization and the overshoot (phase 0) are due to opening of voltage-gated Na+ channels similar to that occurring in nerve and skeletal muscle.
  • The initial rapid repolarization (phase 1) is due to closure of Na+ channels and opening of one type of K+ channel.
  • The subsequent prolonged plateau (phase 2) is due to a slower but prolonged opening of voltage-gated Ca2+ channels.
  • Final repolarization (phase 3) to the resting membrane potential (phase 4) is due to closure of the Ca2+ channels and a slow, delayed increase of K+ efflux through various types of K+ channels.
  • Cardiac myocytes contain at least two types of Ca2+ channels (T- and L-types), but the Ca2+ current is mostly due to opening of the slower L-type Ca2+ channels.

The period after the initiation of an action potential during which another action potential cannot be initiated and propagated regardless of stimulus is known as the effective refractory period (ERP) (see Figure 24-2). A change in the action potential duration (APD) is accompanied by a similar change in the duration of the ERP, although the ratio of change may not be 1 : 1. If the ERP is lengthened with respect to the APD, the cardiac cells will have repolarized more completely before they respond to a stimulus. Many drugs with antiarrhythmic effects prolong the duration of the ERP, and some decrease it.

Ions and the channels that control their movements play major roles in the various phases of cardiac depolarization and repolarization. Figure 24-3 illustrates the membrane action potential in an SA nodal cell and a Purkinje fiber—two characteristically different action potentials—and the flow of ions through specific channels in the Purkinje fiber.


CARDIOVASCULAR PHYSIOLOGY

How do arteries and veins differ in regard to the following?


Figure 3.1 Arteries and veins: a structural comparison.

How does the heart receive its own blood flow?


The coronary arteries they branch off in the first centimeter of the aorta


Compliance describes the distensibility of a given structure

What is the formula for compliance? (Note: Compliance = Capacitance)

Which has a higher compliance, arteries or veins?

Which contains the larger proportion of blood, arteries or veins?


Veins contain a higher proportion of total blood volume this is the unstressed volume, a reservoir that can be mobilized in times of need.

The wall of the aorta has one of the highest concentrations of elastin. What does this elastin do for circulation?


It facilitates the Windkessel effect the heart pushes blood out into the low compliance aorta, which balloons slightly subsequently, the elastin allows the aorta to force the blood forward into the systemic circulation

What is unique about the capillary bed of the vasculature? Why is that important?


It has the largest cross-sectional area and surface area, which allows for the efficient exchange of nutrients, water, and gases

What is unique about the pulmonary vasculature compared to the systemic vasculature?


Hypoxia causes vasoconstriction of the pulmonary vasculature. In most organs hypoxia causes vasodilation.

What is the effect of pulmonary hypoxic vasoconstriction?


It shunts blood toward lung segments that are being effectively ventilated

How does flow in the pulmonary circulation relate to flow in the systemic circulation?


They must be equal! While the total amount of blood in each circuit varies at any given time, total flow per unit time through each circuit must be equal.

HEMODYNAMICS

How do we calculate flow? Can we generalize that equation to the whole systemic circuit?


Cardiac action potential

Overview of the cardiac action potential is as follows:

  • Action potential of the SA node
  • Cardiac conduction system
  • Ventricular action potential
  • Ca2+-induced Ca2+ release
  • Myocyte contraction

The cardiac (ventricular) action potential

  • Phase 0 = depolarisation
  • Phase 1 = Initial repolarisation
  • Phase 2 = Plateau
  • Phase 3 = Repolarisation
  • Phase 4 = Resting potential

Phase 4 – Resting membrane potential

  1. Voltage-independent (VI) K+ channels open
  2. Membrane permeable to K+
  3. K+ tends to diffuse out (leaving negatively charged proteins behind)
  4. -80 mV

Phase 0 – Rapid depolarisation

  1. Upon reaching the threshold, VG Na+ channels open
  2. Na+ influx along the electrochemical gradient
  3. Intracellular gains more positive charge  DEPOLARISATION
  4. +20 mV

Phase 1 – Initial repolarisation

  1. VG Na+ channels quickly inactivate
  2. Fast VG K+ channels open
  3. K+ efflux  intracellular loses positive charge  SHORT REPOLARISATION
  4. Fast VG K+ channels quickly inactivate

Phase 2 – Plateau

  1. VG L-type Ca2+ channels open
  2. Ca2+ influx (slow)  PLATEAU
  3. Initiating step leading to myocyte contraction
  4. L-type Ca2+ inactivate slowly
  5. +20 mV

Phase 3 – Repolarisation

  1. Slow VG K+ channels open
  2. K+ efflux  intracellular loses positive charge  REPOLARISATION
  3. VI K+ channels contribute
  1. Small amount transported to the extracellular space: (i) Na+-Ca2+ exchanger (NCX) – exchanges 3Na+ for Ca2+ (ii) Plasma membrane Ca2+ ATPase (PMCA)
  2. Decreased intracellular [Ca2+] leads to dissociation of Ca2+ from myofilaments causing relaxation

Wave of excitation begin at sinoatrial node (SA):

  • Self-generated (automaticity) potentials from SA nodes
  • Regulated by autonomous nervous system

Key phases of pacemaker (SA nodal) action potential:

  • Phase 4 – Pacemaker potential
  • Phase 0 – Depolarisation
  • Phase 3 – Repolarisation

Pacemaker potential is different to action potential due:

Phase 4 – Pacemaker potential

Phase 0 – Depolarisation

Phase 3 – Repolarisation

  1. L-type Ca2+ channels inactivate and VG K+ channels open
  2. K+ efflux along electrochemical gradient  REPOLARISATION
  3. VG K+ channels remain open HYPERPOLARISATION

Action potentials propagate faster through myocytes than the nodal cells. This is because myocytes have:


Schau das Video: Weiterleitung des Aktionspotentials (Juni 2022).


Bemerkungen:

  1. Voodoozil

    Was für eine schöne Antwort

  2. Blyth

    Ich denke, das ist eine großartige Idee

  3. Khanh

    Ich stimme Ihnen zu, danke für die Erklärung. Wie immer ist alles genial einfach.

  4. Donat

    Ich werde es mir leisten, dass Will nicht zustimmt

  5. Gershom

    Ich entschuldige mich, dass ich Ihnen nicht helfen kann. Aber ich bin sicher, dass Sie die richtige Lösung finden.



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