SYDÄMEN TOIMINTA L2/H

Transkriptio

1 SYDÄMEN JA VERENKIERTOELIMISTÖN TEHTÄVÄ elimistön sisäisen tasapainon eli homeostaasin ylläpitäminen SYDÄMEN TOIMINTA L2/H kunkin elimen ja elinjärjestelmän verensaannin sovittaminen solujen aineenvaihdunnan edellyttämän vähimmäistarpeen mukaan 1 2 L Peltonen VERENKIERTOJÄRJESTELMÄ suljettu kiertojärjestelmä William Harvey 1628 Excercitatio anatomica de motu cordis et sanguinis animalibus, veren ja sydämen liikkeistä eläimissä havaitsi laskimoläppien olemassaolon kiertojärjestelmä (ei vuorojärjestelmä niin kuin Galenos ajatteli) VERENKIERTOJÄRJESTELMÄ toiminnallisesti optimoitu vähä ja runsashappinen veri eivät kosketuksissa keuhkojen ja muun ruumiin läpi virtaa aina saman verran verta kudosten hapensaanti turvattu 3 4 Veren jakaantuminen elimistöön SYDÄMEN RAKENNE aortta kapillaarit onttolaskimot pericardium myocardium endocardium 5 6 1

2 SYDÄNLIHASSOLU, MYOKARDIAALISOLU solusitkos eli synsytium SYDÄNLIHASSOLU 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 n. 60 sarkomeeriä kytkettynä sarjaan/säie (=myofibrilli) 7 8 SYDÄNLIHASSOLUN PROTEIINISÄIKEET (= alkusäikeet = myofilamentit) PROTEIINISÄIKEITTEN RAKENNE Tärkeä sydämen relaksaatiovaiheessa (sydänlihassolujen venyvyys) 9 10 MYOSIININ JA AKTIININ VUOROVAIKUTUS tropomyosiini myosiini aktiini

3 SYDÄNLIHASSOLUN TOIMINTA Lepopotentiaali Nopea depolarisaatio Jänniteherkät Na + kanavat Natriumkanavien suuritiheyskammio 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 AKTIOPOTENTIAALIN SYNTYMINEN ms Sydänlihassolua käskyttää johdinsolukko tai toinen sydänlihassolu AKTIOPOTENTIAALIN SYNTYMINEN SYDÄNLIHAKSELLA ON PITKÄ REFRAKTAARIAIKA ms 15 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 ) 16 SÄHKÖISEN AKTIVAATION MUUNTUMINEN MEKAANISEKSI TYÖKSI Na/Ca vaihtaja 20 30% Ca sitoutuu kalsekvestriiniin SERCA 70 80% fosfolambaani inhiboi β adrenerginen stimulaatio purkaa inhibition 17 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 kalsumia ja Ca:n määrästä sarkoplasmassa kalsiumin määrä enemmän Ca:ta troponiinissa enemmän toimivia aktiini myosiinisiltoja kasvanut supistusvireys sydänlihassolu voi supistua gradeeratusti 18 3

4 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 19 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 20 Tahdistajan määräytyminen SYDÄMEN AKTIVAATIO 72 km/h 40 km/h TAHDISTINSOLUN AKTIOPOTENTIAALI prepotentiaali epäselektiivinen kationikanava Na (ja K sisäänvirtaus) 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) 23 SYDÄMEN TOIMINTASYKLI systole eli supistumisvaihe ihmisen sydän sykähtää elämän aikana keskimäärin 2.5 miljardia kertaa 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 24 4

5 TOIMINTASYKLIN VAIHEET Eteisten supistuminen osuus n. 15% kammioiden täyttymisestä, paine ja virtauspulssi myös laskimoiden suuntaan (kts. slide 28 & Boron 539) Isovolymetrinen kammioiden supistuminen paine kammioissa kohoaa, kammioläpät sulkeutuvat, valtimoläpät vielä kiinni 25 Kammioiden supistuminen, ejektiovaihe valtimoläpät aukeavat, AV taso siirtyy apikaalisesti (eteistilavuus ), ejektio kammioista n. 70 ml = SV stroke volume 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 26 Paineiden ja tilavuuksien muutokset toimintasyklin aikana Kammioiden relaksoituminen AV läppätaso siirtyy takaisin, läpät aukeavat kammioiden nopea passiivinen täyttyminen erotettavissa kiihtyvä ja hidastunut kammiotäyttövaihe Eteisten supistuminen myöhäinen kammiotäyttö SYDÄMEN TOIMINNAN SÄÄTELY Minuuttivolyymi (l/min) l. cardiac output l. CO kuvastaa 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

6 SYKKEEN SÄÄTELY Parasympaattinen hermosto alentaa sykettä SA solmukkeen kautta Vastaa leposykkeestä (jos parasympaattinen vaikutus poissa, rytmi noin ) Ach, muskariiniireseptorit 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 31 Yksinkertaistettu sydämen hermotus 32 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; supistumisen voima, nopeus ja kesto, relaksaationopeus Heterometrinen mekanismi SYDÄNLIHASSOLUN PITUUS JA VOIMANTUOTTO Venytys lisää toimivien aktiini myosiini siltojen määrää, joka riippuu c) b) a) 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 Slide 18 c) Kuvaa sydämen supistumisvireyden eli kontraktiliteetin kasvua; ns inotrooppinen tila, jossa kutakin sarkomeerin pituutta vastaava enin supistumisvoima lisääntyy

7 LASKIMOPALUU, 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 Mikä on jälkikuorma l. afterload? 37 FRANK STARLINGIN MEKANISMI 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) Homeometrinen mekanismi Heterometrinen mekanismi ja positiivinen inotropismi kutakin sarkomeerin pituutta vastaava enin supistusvoima kasvaa/tai heikkenee supistumisvireys eli kontraktiliteetti 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) Inotropismi

8 SYDÄMELLÄ 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 Myocardiumon liian paksu tehokkaaseen hapen ja muiden metaboliittien diffundoitumiseen 43 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 Hapen saannin ja tarpeen välinen epäsuhta aiheuttaa iskemiaa 44 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 45 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% 46 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 MITEN SYDÄN SAA TARVITSEMANSA ENERGIAN? 70 80% energiantarpeesta tyydyttyy pitkäketjuisten rasvahappojen oksidaatiolla mitokondrioissa; karnitiinijärjestelmän toimivuus olennainen Ketoniaineet (3 hydroksivoihappo ja asetetikkahappo) syrjäyttävät rasvahapot normaalissa ja diabeettisessa sydämessä Glukoosin käyttö riippuu vaihtoehtoisten substraattien tarjonnasta Oksidaatio on epätalodellista 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

9 SYDÄMEN ENERGIA AINEENVAIHDUNTA 49 9