Das Herz: Physiologie

Veröffentlicht von: Onmeda-Redaktion (16. November 2016)

Um den Blutkreislauf aufrecht zu erhalten, muss das Herz regelmäßig pumpen, das heißt, der Herzmuskel muss sich rhythmisch zusammenziehen (kontrahieren). Dazu müssen die Muskelzellen fortwährend gereizt und der Reiz weitergeleitet werden.

Ruhepotential und Aktionspotential

Sowohl bei den Muskelzellen des Herzens als auch bei den Zellen der Skelettmuskulatur besteht zwischen dem Zellinneren und dem Zelläußeren eine elektrische Spannung. Diese Spannung nennt man Ruhepotential (auch: Ruhemembranpotential).

Wie kommt das Ruhepotential zustande?

Die Ursache für diese Spannung liegt an der ungleichen Verteilung der positiv und negativ geladenen Ionen zwischen Zellinnerem und Zelläußerem:

  • Im Inneren der Zellen befinden sich vor allem positiv geladene Kalium-Ionen (K+) und negativ geladene organische Anionen.
  • Außerhalb der Zellmembran hingegen kommen vor allem positiv geladene Natrium- (Na+) und negativ geladene Chlorid-Ionen (Cl-) vor.

Beim Skelettmuskel und beim Herzmuskel beträgt diese Spannung in Ruhe (Ruhepotential) etwa -90 Millivolt (mV), wobei das Zellinnere negativ gegenüber dem Zelläußeren geladen ist. Anders als im Arbeitsmyokard (also dem Teil des Herzmuskels, der für das Zusammenziehen verantwortlich ist) ist in den Zellen des Sinusknotens kein Kalium-Strom vorhanden. Deshalb ist das Ruhepotential dort mit etwa -60 mV auch deutlich positiver als das der Arbeitsmuskulatur. Der Sinusknoten liegt im rechten Vorhof des Herzens, etwa dort wo die obere Hohlvene mündet.

Das Ruhepotential baut sich auf, weil die Zellmembran für die verschiedenen Ionen im Körper unterschiedlich durchlässig (permeabel) ist – man spricht daher auch von einer semipermeablen Membran. Diese Durchlässigkeit kann sich verändern durch

  • mechanische,
  • chemische oder
  • elektrische Reize.

Positiv geladene Kalium-Ionen wandern aufgrund der osmotischen Energie durch die Membran in das Zelläußere und versuchen, den Konzentrationsunterschied auszugleichen. Gleichzeitig bewegen sich positiv geladene Natrium-Ionen aus dem Zelläußeren in das Innere der Zelle, um ebenfalls den Konzentrationsunterschied auszugleichen. Das ändert die Spannung nach und nach von -90 mV im Zellinneren hin zu Werten um die -60 mV. Je positiver beziehungsweise weniger negativ das Zellinnere wird, desto durchlässiger wird die Zellmembran für positiv geladene Natrium-Ionen und desto positiver wiederum das Zellinnere. Die Folge: Das Ruhemembranpotential müsste über kurz oder lang zusammenbrechen.

Ab etwa -50 mV ändert sich die Durchlässigkeit (Permeabilität) der Zellmembran jedoch sehr schnell, sodass in kürzester Zeit verhältnismäßig mehr positiv geladene Natrium-Ionen einströmen können. Dies führt zu einer Spannungsumkehr von +30 mV gegenüber dem Zelläußeren. Während dieses Prozesses nimmt die Durchlässigkeit für positiv geladene Natrium-Ionen schlagartig wieder ab und die für positiv geladene Kalium-Ionen und negativ geladene Chlorid-Ionen steigt an. Es strömen positiv geladene Kalium-Ionen aus der Zelle heraus und negativ geladene Chlorid-Ionen hinein. Das geschieht so lange, bis der ursprüngliche Zustand wiederhergestellt, also das Zellinnere wieder eine Spannung von rund -90 mV besitzt. Anschließend beginnt dieser Prozess wieder von vorne.

Was ist ein Aktionspotential?
Den gesamten Spannungsverlauf von -90 mV über +30 mV bis zum alten Zustand von -90 mV bezeichnet man als Aktionspotential. Bei einem Aktionspotential werden die Ruhepotentiale also kurzzeitig umpolarisiert.

  • Bei einer Herzmuskelzelle dauert ein Aktionspotential, je nach Herzfrequenz, bis zu einigen hundert Millisekunden.
  • Die Dauer eines Aktionspotentials einer Skelettmuskelzelle ist deutlich kürzer: Mit ein bis zwei Millisekunden ist es nur etwa ein Hundertstel so lang.

Das Aktionspotential (AP) kann in vier Phasen eingeteilt werden:

  • Phase 1: Den Vorgang der Spannungsänderung von -90 mV zu +30 mV zwischen Zellinnerem und Zelläußerem bezeichnet man als Depolarisation. Die Depolarisation erzeugt eine kurze Spannungsspitze (initiale Spitze) von rund +30 mV.
  • Phase 2: Nach der initialen Spitze sinkt der Wert leicht (auf etwa 0 mV) und verbleibt dort für eine Zeitlang (Plateauphase).
  • Phase 3: Der Plateauphase schließt sich die Repolarisation an, in welcher auch die Natrium-Kalium-Pumpe zum Einsatz kommt.
  • Phase 4: Der Repolarisation folgt das Ruhepotential.
Grafische Darstellung: Aktionspotential des Herzens

Aktionspotential des Herzens

Natrium-Kalium-Pumpe

Während der Repolarisation des Herzmuskels wird das ausgeströmte Kalium (K+) wieder in die Zelle hinein transportiert und das eingeströmte Natrium (Na+) heraus transportiert. Dieser aktive Prozess wird von der Zellmembran gesteuert und als Natrium-Kalium-Pumpe bezeichnet.

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein aktiver Prozess, also ein Prozess, bei dem Energie verbraucht wird, da die Ionen entgegen ihres Konzentrationsgefälles transportiert werden müssen. Für drei Natrium-Ionen transportiert die Pumpe jeweils zwei Kalium-Ionen.

Die Natrium-Kalium-Pumpe besteht aus einem Eiweiß (Protein), das quer durch die Zellmembran verläuft, einem sogenannten Transmembranprotein. Unter normalen Umständen können weder Natrium- noch Kalium-Ionen dieses Protein passieren. Unter Energieaufwand verändert sich die Struktur des Tansmembranproteins jedoch derart, dass Natrium- und Kalium-Ionen die Zellmembran mithilfe dieses Proteins durchqueren können.

Die nötige Energie stammt dabei aus der Hydrolyse eines ATP-Moleküls (Adenosintriphosphat), das an der Membraninnenseite an das Transmembranprotein bindet, zu ADP (Adenosindiphosphat). Unter Hydrolyse versteht man die Spaltung einer chemischen Verbindung, durch die ein Wasserstoffatom an das Spaltstück abgegeben wird.

Anatomie Herz: Man sieht eine grafische Darstellung der Natrium-Kalium-Pumpe. © iStock

Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert Natrium- und Kalium-Ionen entgegen ihrem Konzentrationsgefälle.