SYDÄMEN TOIMINTA L2/H L Peltonen

Transkriptio

1 SYDÄMEN TOIMINTA L2/H L Peltonen 1

2 SYDÄMEN TEHTÄVÄ SYDÄMEN JA VERENKIERTOELIMISTÖN TEHTÄVÄ William Harvey 1628: It has been shown by reason and experiment that blood by the beat of the ventricles flows through the lungs and heart and is pumped to the whole body the blood in the animal body moves around in a circle continuously, and the action or function of the heart is to accomplish this by pumping. This in the only reason for the motion and beat of the heart. 2

3 VUOROVIRTAUKSESTA KIERTOJÄRJESTELMÄÄN Galenos 100 AD Harvey 1628 AD 3

4 VERENKIERTOJÄRJESTELMÄ painepumppu volyymipumppu 4

5 Veren jakaantuminen elimistöön VERENKIERTOJÄRJESTELMÄ Sircar,

6 SYDÄMEN RAKENNE pericardium myocardium endocardium 6

7 Vasen kammio, spiraalilihas edestä alta Lower, 1669 Jouk et al.,

8 SYDÄNLIHASSOLU, MYOKARDIAALISOLU solusitkos eli synsytium kytkylevyt yhdistävät solut toisiinsa sekä pituus että leveyssuunnassa kytkylevyissä aukkoliitoksia (konneksiini proteiineja) eteis ja kammiolihassolut muodostavat erilliset synsytiumit depolarisaatioaallon siirtyminen solusta toiseen on nopeaa; 1 m/s 8

9 SYDÄNLIHASSOLU n. 60 sarkomeeriä kytkettynä sarjaan/säie (=myofibrilli) 9

10 SYDÄNLIHASSOLUN PROTEIINISÄIKEET (= alkusäikeet = myofilamentit) Tärkeä sydämen relaksaatiovaiheessa (sydänlihassolujen venyvyys) 10

11 PROTEIINISÄIKEITTEN RAKENNE 11

12 12

13 MYOSIININ JA AKTIININ VUOROVAIKUTUS tropomyosiini myosiini aktiini 13

14 Lepopotentiaali Nopea depolarisaatio SYDÄNLIHASSOLUN TOIMINTA Jänniteherkät Na + kanavat Natriumkanavien suuri tiheys kammio ja eteislihaksessa! Nopea repolarisaatio (jänniteherkien kanavien inaktivaatio ja/tai transienttia kaliumin ulosvirtausta, I to ) Tasovaihe Na kanavien inaktivoituminen HitaidenCa 2+ kanavien aukeaminen Kaliumin ulosvirtauksen pieneminen Repolarisaatiovaihe Kalsiumkanavien sulkeutuminen Kaliumin ulosvirtauksen lisääntyminen Natriumkanavien palautuminen 14

15 AKTIOPOTENTIAALIN MUODOSTUMINEN ms Sydänlihassolua käskyttää johdinsolukko tai toinen sydänlihassolu. 15

16 Aktiopotentiaali Purkinjensolussa sisään ulos i h = i f 16

17 SYDÄNLIHAKSELLA ON PITKÄ REFRAKTAARIAIKA Toiminnallinen merkitys: 1. kammiot ehtivät tyhjentyä ja täyttyä kunnolla ennen seuraavaa toimintajaksoa 2. sydän on sähköisesti suojattu ulkoiselta stimulaatiolta (esim. ylimääräiset lyönnit) 3. sydän ei tetanisoidu (ei ikuista systolea ) 17

18 Absoluuttinen ja relatiivinen refraktaariaika 18

19 SÄHKÖISEN AKTIVAATION MUUNTUMINEN MEKAANISEKSI TYÖKSI solun ulkopuolelta tuleva kalsium indusoi solunsisäisen kalsiumin vapautumisen = calcium induced calcium release Suurin osa kalsiumpitoisuuden noususta on peräisin SR:stä ( kalsiumryöppy, Ca spark, n. 90%) Varastoissa kalsiumia n. 0.1 mmol/l, sarkoplasmassa mmol/l (laskeva konsentraatiogradientti) Sydänlihassolun kyky tuottaa voimaa on suorassa suhteessa toimivien aktiini myosiinisiltojen määrään, joka taas riippuu myofilamenttien lomittuneisuudesta, troponiinin herkkyydestä sitoa kalsiumia ja Ca:n määrästä sarkoplasmassa kalsiumin määrä enemmän Ca:ta troponiinissa enemmän toimivia aktiini myosiinisiltoja kasvanut supistusvireys sydänlihassolu voi supistua gradeeratusti 19

20 SÄHKÖISEN AKTIVAATION MUUNTUMINEN MEKAANISEKSI TYÖKSI Na/Ca vaihtaja (NCX) 20 30% Na K ATPaasi Ca sitoutuu kalsekvestriiniin SERCA 70 80% fosfolambaani inhiboi β adrenerginen stimulaatio purkaa inhibition 20

21 Kalsiumkierto myosyytissä, peruselementit Katz,

22 Kalsiumkierto myosyytissä Digitalisglykosidien vaikutus pumpun kautta Katz,

23 Katz,

24 JOHTORATAJÄRJESTELMÄ, TAHDISTIN JA JOHDINSOLUT (erilaistuneita sydänlihassoluja) 0.05 m/s 1 m/s 0.05 m/s 1 m/s 4 m/s SAN sinoatriaalisolmuke, sinussolmuke BB Bachmannin kimppu AVN atrioventrikulaarisolmuke; AV solmuke HIS Hisin kimppu RA oikea eteinen LA vasen eteinen VCI & VCS onttolaskimot RV oikea kammio LV vasen kammio Purkinjen säikeet 24

25 TAHDISTINSOLUKKO SA SOLMUKKEESSA Ei lepopotentiaalia Spontaani ja hidas depolarisaatio kynnysarvoon = prepotentiaali ( pacemakerpotentiaali ); P solut Primaarinen sydämen tahdistajasolukko (nopein sisäinen rytmi n. 60 kertaa minuutissa) JOHDINSOLUKKO Levittää supistusärsykkeen sydänlihassoluille Hidas johtuminen AV solmukkeessa (0.05 m/s); N solut Nopea johtuminen kammioissa (Hisin kimppu 1 m/s, Purkinjen säikeet 4 m/s) Tahdistinominaisuuksia AV solmuke ns. sekundaarinen tahdistaja Purkinjen säikeet ns. tertiaarinen tahdistaja 25

26 Tahdistajan määräytyminen 72 km/h 40 km/h 26

27 SYDÄMEN AKTIVAATIO 27

28 TAHDISTINSOLUN AKTIOPOTENTIAALI prepotentiaali epäselektiivinen kationikanava Na (ja K sisäänvirtaus) i f funny current ; kanava aktivoituu hyperpolarisaatiosta ei jänniteherkkiä Na kanavia nousuvaihe hitaampi SA solmukkeen spontaani depolarisaatio toistuu tietyllä perustaajuudella sydämen relaksaatiovaiheen aikana (määrää sydämen sisäisen rytmin) 28

29 SA solmukkeen aktiopotentiaali i h = i f 29

30 SYDÄMEN TOIMINTASYKLI systole eli supistumisvaihe ihmisen sydän sykähtää elämän aikana keskimäärin 2.5 miljardia kertaa, aina päällä sydänlihas supistuu aina kokonaisuudessaan HUOM! eteisten ja kammioiden synsytiumit erillään supistumisjärjestyksen määrää johtorata ensin eteiset, sitten kammiot (eteiset relaksoituvat kammiosupistuksen aikana) diastole eli relaksoitumisvaihe sydänlihas relaksoituu aina kokonaisuudessaan eteis kammio ja kammio valtimoläpät ohjaavat verta vain yhteen suuntaan 30

31 31 Katz, 2011

32 TOIMINTASYKLIN VAIHEET Eteisten supistuminen (diastolen lopussa) osuus n. 15% kammioiden täyttymisestä, paine ja virtauspulssi myös laskimoiden suuntaan (kts. Boron kuva 22 7) Isovolymetrinen kammioiden supistuminen paine kammioissa kohoaa, kammioläpät sulkeutuvat, valtimoläpät vielä kiinni 32

33 Kammioiden supistuminen, ejektiovaihe valtimoläpät aukeavat, AV taso siirtyy kohti apexia (eteistilavuus ), apex siirtyy inferiorisesti ejektio kammioista n. 70 ml = SV stroke volume, iskutilavuus loppusystolinen volyymi ESV = n. 60 ml ejektiofraktio EF = SV/EDV > 55% (EDV =loppudiastolinen tilavuus = sydämen täyttöpaine) Ejektiovaihe päättyy, kun valtimoläpät sulkeutuvat. Tämän jälkeen alkaa isovolymetrinen relaksaatio, jossa kammioiden paine alenee nopeasti 33

34 Kammioiden relaksoituminen AV läppätaso siirtyy takaisin, läpät aukeavat kammioiden nopea passiivinen täyttyminen erotettavissa kiihtyvä ja hidastunut kammiotäyttövaihe Eteisten supistuminen myöhäinen kammiotäyttö 34

35 Eteissupistuksen puuttuminen johtaa epäedullisiin hemodynaamisiin muutoksiin ❶ EDV sydämen minuuttivolyymi (cardiac output) ❷ eteisten keskipaine laskimopaluu Eteisvärinä! Katz,

36 Paineiden ja tilavuuksien muutokset toimintasyklin aikana Mihin sijoittuu 4. sydänääni? 36

37 37

38 SYDÄMEN TOIMINNAN SÄÄTELY Minuuttivolyymi (l/min) l. cardiac output l. CO kuvaa sydämen pumppaustehoa CO = SYKE x ISKUTILAVUUS sykkeen ja supistusvoiman säätely Siis: 72 sykäystä/min x 70 ml/sykäys = 5040 ml/min Ihmisen keskimääräinen verivolyymi on noin 5 litraa Normaalisti CO on sama oikeassa ja vasemmassa sydämessä Vajaatoiminta jommassa kummassa saa veren kerääntymään heikommin toimivan pumpun taakse Elimistön lisääntynyt verentarve esim. liikunnan aikana voi nostaa CO:ta l/min 38

39 Yksinkertaistettu sydämen hermotus 39

40 SYKKEEN SÄÄTELY Parasympaattinen hermosto alentaa sykettä SA solmukkeen kautta Vastaa leposykkeestä (jos parasympaattinen vaikutus eliminoitu rytmi noin ) Ach, muskariinireseptorit 3 mekanismia I f, K + ulosvirtauksen lisääntyminen (GIRK), I Ca alentaa impulssin johtumisnopeutta AV solmukkeen kautta Sympaattinen hermosto SA solmukkeen kautta kohottaa sykettä Adrenaliini, noradrenaliini, β 1 reseptorit 2 mekanismia I f, I Ca 40

41 41

42 ISKUTILAVUUDEN L. SUPISTUSVOIMAN SÄÄTELY 1. Heterometrinen mekanismi Frank Starlingin laki fysiologit Dario Maestrini, Otto Frank ja Ernest Starling sydänlihassolun loppudiastolinen pituus vaikuttaa sen a) passiivisiin mekaanisiin ominaisuuksiin solun tukiranka, solukalvo ja solujen välinen sidekudos b) aktiivisiin mekaanisiin ominaisuuksiin sarkomeerin toiminta; supistusvoima, nopeus ja kesto, relaksaationopeus (lusitropia) 42

43 Heterometrinen mekanismi c) b) (systole) a) (diastole) c) Kuvaa sydämen supistumisvireyden eli kontraktiliteetin kasvua; ns inotrooppinen tila, jossa kutakin sarkomeerin pituutta vastaava enin supistumisvoima lisääntyy 43

44 FRANK STARLINGIN LAKI fysiologisten rajojen sisällä tarkoittaa: the heart pumps what it gets sydän pystyy sopeutumaan laskimopaluun muutoksiin eri tilanteissa suurin merkitys lepotilassa, kun sympatikusvaikutus vähäinen ja kammioiden täyttymisaika pitkä (syke alhainen) (diastolen lopussa, kertoo lisääntyneestä laskimopaluusta ) 44

45 SYDÄNLIHASSOLUN PITUUS JA TOIMINTAKYKY Venytys lisää toimivien aktiini myosiini siltojen määrää, joka riippuu 1. myofilamenttien lomittuneisuudesta 2. troponiinin herkkyydestä sitoa kalsiumia 3. Ca:n määrästä sarkoplasmassa kalsiumin määrä enemmän Ca:ta troponiinissa enemmän toimivia aktiini myosiinisiltoja kasvanut kyky tuottaa voimaa kehittää painetta 45

46

47 ESIVENYTYS L. ESIKUORMA L. PRELOAD & EDV Sydänlihassolun kyky tuottaa voimaa kasvaa sarkomeerin pituuden funktiona Loppudiastolinen kammiotilavuus EDV kuvaa lihassolujen venytystä ennen supistumista Preload kuvaa venytyksen aiheuttamaa kuormaa sydänlihassoluille ennen supistumista Mitä suurempi laskimopaluu eli sydämeen laskimoista tuleva verimäärä sitä suurempi preload ja EDV 47

48 JÄLKIKUORMA L. AFTERLOAD Sydän kohtaa jälkikuorman vasta systolen alettua Valtimoläppä erottaa sydämen afterloadista diastolessa Afterloadia kuvaa valtimopaine Vasemman kammion on tehtävä työtä kehittääkseen aortan painetta suuremman paineen Sekä preload että afterload ovat tärkeitä käsitteitä kliinisesti, sillä usein sydämen toimintahäirioihin liittyy muutos jommassa kummassa tai molemmissa. 48

49 Sydämen tilavuus paine diagrammi EW = vasemman kammion tekemä nettotyö (net external work output) veren siirtämiseksi laskimoista valtimoihin Downloaded from: StudentConsult (on 25 October :01 PM) 2005 Elsevier

50 Muutos preloadissa ja aferloadissa Kts. Boron kuva

51 2. Homeometrinen mekanismi kutakin sarkomeerin pituutta vastaava supistusvoima muuttuu tarpeita vastaavaksi muutos supistumisvireydessä eli kontraktiliteetissa: mikä tahansa muutos sydänlihaksen toimintakyvyssä, joka ei johdu muutoksista preloadissa tai afterloadissa kasvaa adrenaliinin ja noradrenaliinin vaikutuksesta; kalsiumin saatavuus supistuksen aikana lisääntyy; ESV suurin merkitys rasituksessa, kun sympatikusvaikutus suuri ja laskimopaluu vakioituu (diastole lyhenee suhteessa enemmän kuin systole) 51

52 Heterometrinen mekanismi ja positiivinen inotropismi 52

53 Inotropismi 53

54 54

55 SYDÄMELLÄ ON ELIMISTÄ SUURIN HAPENKULUTUS PAINOYKSIKKÖÄ KOHTI n. 40% sydänlihassolun tilavuudesta koostuu mitokondrioista tehokas aerobinen metabolia n. 70% sepelvaltimoveren hapesta kulutetaan Myoglobiini pystyy varastoimaan rajoitetun määrän happea akuuttia käyttöä varten Sydämen toiminta on täysin riippuvainen sepelvaltiomoiden verenvirtauksesta l. koronaarireservistä! Sydän on verta täynnä miksi happea ei oteta kammioiden tai eteisten seinämien läpi? Endocardium estää veren pääsyn myocardiumiin Myocardium on liian paksu tehokkaaseen hapen ja muiden metaboliittien diffundoitumiseen 55

56 SYDÄMELLÄ SUURIN HAPENKULUTUS PAINOYKSIKKÖÄ KOHTI Hapen tarpeen määräävät syketaajuus preloadin ja afterloadin aiheuttama seinämäjännitys sydänlihaksen inotrooppinen tila, kontraktiliteetti Hapen saantiin vaikuttavat koronaarireservi sepelvaltimon lumenin läpimitta ahtauma, repeämä, tromboosi Vaurioitunut suoni on supistumisherkkä Herkkyyttä lisäävät kylmä ilma, rasitus, psyykkinen stressi, katekoliamiinit (α adrenergiset reseptorit) ja tupakointi sydämen verenvirtauksen perfuusiopaine veren happipitoisuus diastolen kesto (takykardia, bradykardia) Hapen saannin ja tarpeen välinen epäsuhta aiheuttaa iskemiaa 56

57 VERENVIRTAUS SEPELVALTIMOISSA SYSTOLEN JA DIASTOLEN AIKANA Systolen aikana n. 30% koko sydämen saamasta verestä: sepelvaltimot litistyvät sydänlihaksen supistuessa; avoinna oleva aorttaläppä estää virtausta Diastolen aikana n. 70% 57

58 Preloadin ja afterloadin aiheuttama seinämäjännitys Volyymityö kuluttaa vähän happea Heterometrinen mekanismi Preload kasvaa Painetyö kuluttaa paljon happea Homeometrinen mekanismi Afterload kasvaa Subendokardiaaliset lihassolut kuluttavat enemmän happea kuin epikardiaaliset Subendokardiaaliset solut supistuvat pituudestaan n. 20%, epikardiaaliset n. 5% Myokardiumin sisempi osa on iskemiaherkkä! Oikea kammio kuluttaa vähemmän happea kuin vasen 58

59 Katz,

60 MITEN SYDÄN SAA TARVITSEMANSA LISÄVEREN JA LISÄHAPEN? Periaate: toimiva kudos vapauttaa hapentarvetta kuvastavia metaboliitteja Adenosiini ATPstä Hapenpuute Lisääntynyt energiankulutus Verisuonten laajeneminen (vasodilataatio) myös K +, H +, CO 2 ja prostaglandiinit typpioksidi, sydämen oma nitrojärjestelmä 60

61 MITEN SYDÄN SAA TARVITSEMANSA ENERGIAN? 70 80% energiantarpeesta tyydyttyy pitkäketjuisten rasvahappojen oksidaatiolla mitokondrioissa; karnitiinijärjestelmän toimivuus olennainen Energiansaanti usein at the edge Ketoniaineet (3 hydroksivoihappo ja asetetikkahappo) syrjäyttävät rasvahapot normaalissa ja diabeettisessa sydämessä Glukoosin käyttö riippuu vaihtoehtoisten substraattien tarjonnasta Oksidaatio on epätaloudellista jos hapesta on pulaa lääkeaineet, joilla voidaan estää oksidaatio ja pakottaa sydän glukoosin käyttäjäksi (trimetatsidiini) Aineenvaihduntaa säätelee soluliman ja mitokondrioiden vapaan kalsiumin pitoisuus Aineenvaihduntareitit ja mekaaninen työ kytkeytyvät 61

62 SYDÄMEN ENERGIA AINEENVAIHDUNTA 62