SYDÄMEN TOIMINTA L2/H2 2017 18.9.2017 L Peltonen 1
Sisältö Sydämen tehtävä Sydänlihassolun sähköinen toiminta - aktiopotentiaali Sähköisen aktivaation muuttuminen mekaaniseksi työksi Johtoratajärjestelmän toiminta ja aktivaatiojärjestys lisää F2 johdantoluennolla ja harjoitustyössä! Tahdistinsolukon sähköinen toiminta aktiopotentiaali Sydämen toimintasykli systole ja diastole Sydämen toiminnan säätely sykkeen säätely iskutilavuuden säätely hetero- ja homeometrinen mekanismi Sydämen hapenkulutus Sydämen oma verenkierto ja sen säätely
SYDÄMEN TEHTÄVÄ SYDÄMEN JA VERENKIERTOELIMISTÖN TEHTÄVÄ William Harvey, 1628. Excercitatio anatomica de motu cordis et sanguinis in animalibus 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. (Teoksen on vuonna 2000 latinasta suomentanut Anto Leikola Verenkierrosta: sydämen ja veren liikkeet ) 3
VUOROVIRTAUKSESTA KIERTOJÄRJESTELMÄÄN Galenos 100 AD ---------------------- Harvey 1628 AD 4
VERENKIERTOJÄRJESTELMÄ painepumppu volyymipumppu 5
Veren jakaantuminen elimistöön VERENKIERTOJÄRJESTELMÄ Sircar, 2008 6
SYDÄMEN RAKENNE Lower, 1669 Jouk et al., 2000 edestä alta 7
SYDÄNLIHASSOLU, KARDIOMYOSYYTTI - 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
SYDÄNLIHASSOLU - n. 60 sarkomeeriä kytkettynä sarjaan/säie (=myofibrilli) 9
SYDÄNLIHASSOLUN PROTEIINISÄIKEET (= alkusäikeet = myofilamentit) Tärkeä sydämen relaksaatiovaiheessa (sydänlihassolujen venyvyys) 10
PROTEIINISÄIKEITTEN RAKENNE 11
12
MYOSIININ JA AKTIININ VUOROVAIKUTUS tropomyosiini Kalsium on aktivaattori myosiini sarkoplasmaattinen kalvosto 13
SYDÄNLIHASSOLUN TOIMINTA - aktiopotentiaali Lepopotentiaali (faasi 4) kalvopotentiaali diastolen aikana negatiivisin arvo diastolen aikana = maksimaalinen diastolinen potentiaali Nopea depolarisaatio (faasi 0) jänniteherkät Na + -kanavat natriumkanavien suuri tiheys kammio- ja eteislihaksessa! Nopea repolarisaatio (faasi 1) - jänniteherkien kanavien inaktivaatio ja/tai transienttia kaliumin ulosvirtausta, I to ) Tasovaihe (faasi 2) Hitaiden Ca 2+ -kanavien aukeaminen Kaliumin ulosvirtauksen pieneminen Repolarisaatiovaihe (faasi 3) Kalsiumkanavien sulkeutuminen Kaliumin ulosvirtauksen lisääntyminen Natriumkanavien palautuminen 14
AKTIOPOTENTIAALIN MUODOSTUMINEN 150-300 ms Martindale & Brown, 2017 15
Aktiopotentiaali Purkinjensolussa (samanmuotoinen kuin kardiomyosyytissä) 1 2 sisään 0 3 4 ulos i h = i f Katso myös Boron, kuva 21-4 Auttavat repolarisaatiossa Auttavat ylläpitämään lepopotentiaalia 16
SYDÄNLIHAKSELLA ON PITKÄ REFRAKTAARIAIKA Toiminnallinen merkitys: 1. kammiot ehtivät tyhjentyä ja täyttyä kunnolla ennen seuraavaa toimintajaksoa 2. sydän on sähköisesti suojattu ulkoiselta stimulaatiolta 3. sydän ei tetanisoidu (ei ikuista systolea ) 17
Effektiivinen (absoluuttinen) ja relatiivinen refraktaariaika RRP:n aikana voi syntyä jälkidepolarisaatioita ja kammiolisälyöntejä Kiinnostuneille: Boron et Boulpaep, s. 505 Kardiomyosyyttien eripituiset refraktaariajat kiertoaktivaation (reentry) synnyssä (esim. kammiovärinä). 18
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 ( kalsiumpurske, Ca-spark, n. 90%) Varastoissa kalsiumia n. 0.1 mmol/l, sarkoplasmassa 0.0001 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 kalsiumin määrästä sarkoplasmassa kalsiumin määrä enemmän Ca:ta troponiinissa enemmän toimivia aktiini-myosiinisiltoja kyky tuo aa voimaa sydänlihassolu voi supistua gradeeratusti 19
SÄHKÖISEN AKTIVAATION MUUNTUMINEN MEKAANISEKSI TYÖKSI Na/Ca vaihtaja (NCX) 20-30% (Ca 2+ ulkoinen kierto) SERCA 70-80% (Ca 2+ sisäinen kierto) - fosfolambaani inhiboi - β-adrenerginen stimulaatio purkaa inhibiition 20
Kalsiumkierto kardiomyosyytissä SR: useita kalsiumia sitovia proteiineja. Säätelytehtäviä, kuten kalsiumin vapauttaminen (calsequestrin), kalsiumpumpun säätely (sarcalumenin), sydämen kehitys (calreticuliini) Katz, 2011 21
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 22
TAHDISTINSOLUKKO SA -SOLMUKKEESSA Ei lepopotentiaalia Spontaani ja hidas depolarisaatio kynnysarvoon = prepotentiaali ( pacemakerpotentiaali ); P-solut Primaarinen sydämen tahdistajasolukko (nopein sisäinen rytmi, levossa 60-100 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 23
Tahdistajan määräytyminen 72 km/h 78 km/h (naiskuski) 40 km/h Sukupuolieroja tautien ilmenemisessä ja hoitovasteissa. aortan ja sepelvaltimoiden pienempi koko, rasvakudoksen suurempi määrä, alhaisempi GFR, hormonivaikutukset 24
SYDÄMEN AKTIVAATIOJÄRJESTYS 25
TAHDISTINSOLUN AKTIOPOTENTIAALI 0 3 4 4 prepotentiaali epäselektiivinen kationikanava (HCN -kanava) Na + + 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) 26
SA-solmukkeen aktiopotentiaali i h = i f 27
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 28
Sydämen toimintasyklin eri vaiheiden kesto Isovolyyminen supistus 0.05* Nopea (maksimaalinen) ejektio 0.09 Hidastunut ejektio 0.17 Systole 0.31 Isovolyyminen relaksaatio 0.08 Nopea täyttyminen 0.11 Hidastunut täyttyminen (diastasis) 0.19 Eteisten supistuminen 0.11 Diastole 0.49 *Keskimääräinen kesto sekunteina vasemmassa kammiossa sykkeellä 75/min. Suomennettu (LP) ja muokattu: Katz AM,2011 Physiology of the Heart ja Wiggers CJ, 1949 Physiology in Health and Disease
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 30
Kammioiden supistuminen, ejektiovaihe valtimoläpät aukeavat, AV-taso siirtyy koh apexia (eteis lavuus ), 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 = kammiopaine diastolen lopussa) Ejektiovaihe päättyy, kun valtimoläpät sulkeutuvat. Tämän jälkeen alkaa isovolymetrinen relaksaatio, jossa kammioiden paine alenee nopeasti 31
Kammioiden relaksoituminen AV-läppätaso siirtyy takaisin, läpät aukeavat erotettavissa nopea/maksimaalinen ja hidastunut kammiotäyttövaihe Eteisten supistuminen myöhäinen kammiotäyttö 32
Paineiden ja tilavuuksien muutokset toimintasyklin aikana Mihin sijoittuu 4. sydänääni? 33
Eteissupistuksen puuttuminen eteisvärinässä johtaa epäedullisiin hemodynaamisiin muutoksiin ❶ kammion loppudiastolinen lavuus sydämen minuuttitilavuus (cardiac output) ❷ eteisten paine laskimopaluu Katz, 2011 34
SYDÄMEN TOIMINNAN SÄÄTELY Minuuttivolyymi (l/min) eli cardiac output eli CO kuvaa sydämen pumppaustehoa CO = SYKE x ISKUTILAVUUS sykkeen ja iskutilavuuden säätely Esimerkiksi: 72 sykäystä/min x 70 ml/sykäys = 5040 ml/min 70 kg painavassa aikuisessa on noin 8% verta, eli noin 5600 ml Elimistön lisääntynyt verentarve esim. liikunnan aikana voi nostaa CO:ta 30-35 l/min Normaalisti CO on sama oikeassa ja vasemmassa sydämessä Vajaatoiminta saa veren kerääntymään heikommin toimivan pumpun taakse 35
Oikean puolen vajaatoiminta Vasemman puolen vajaatoiminta 1 vasemman puolen minuuttitilavuus ylittää oikean puolen minuuttitilavuuden 2 paine kasvaa vajaatoimintaisen sydämen takana 1 oikean puolen minuuttitilavuus ylittää vasemman puolen minuuttitilavuuden 2 paine kasvaa vajaatoimintaisen sydämen takana 3 nestettä kertyy systeemisiin kudoksiin 3 nestettä kertyy keuhkokudokseen 36
Yksinkertaistettu sydämen hermotus 37
SYKKEEN SÄÄTELY Parasympaattinen hermosto alentaa sykettä SA-solmukkeen kautta Vastaa leposykkeestä (jos parasympaattinen vaikutus eliminoitu rytmi noin 90-100) Ach, muskariinireseptorit 3 mekanismia I f, I K+, 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 Autonominen hermosto http://hdl.handle.net/2455/140399 38
39
ISKUTILAVUUDEN L. SUPISTUSVOIMAN SÄÄTELY Heterometrinen mekanismi Frank-Starlingin laki fysiologit Dario Maestrini, Otto Frank ja Ernest Starling 1914-1918 Sydänlihassolun loppudiastolinen pituus vaikuttaa sen 1. passiivisiin mekaanisiin ominaisuuksiin solun tukiranka, solukalvo ja solujen välinen sidekudos 2. aktiivisiin mekaanisiin ominaisuuksiin sarkomeerin toiminta; supistusvoima, -nopeus ja supistuksen kesto ja kyky relaksoitua (lusitropia) 40
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) 41
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) Frank-Starlingin laki käytännössä (taustalla kokeellista tietoa nisäkkäistä ja ihmisistä), Guyton, 2011) (diastolen lopussa, kuvaa laskimopaluuta ) 42
Miten venytys lisää sydänlihassolun kykyä tuottaa voimaa? 1. optimoi myofilamenttien lomittuneisuuden voiman tuoton kannalta (mm. venyessään alkusäikeet ovat lähempänä toisiaan) lisää toimivien aktiini-myosiini - siltojen määrää 2. lisää troponiinin herkkyyttä sitoa kalsiumia 3. lisää Ca:n määrää sarkoplasmassa aktivoi venytysherkkiä Ca-kanavia kalsiumin määrä solun sisällä enemmän Ca:ta SRK:sta enemmän Ca:ta troponiinissa enemmän toimivia aktiini-myosiinisiltoja kasvanut kyky tuo aa voimaa (katso Boron ja Boulpaep, s. 547) 43
PRELOAD (ESIVENYTYS eli ESIKUORMA) & 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 on preload ja EDV 45
AFTERLOAD eli JÄLKIKUORMA Sydän kohtaa jälkikuorman vasta systolen alettua Valtimoläppä erottaa sydämen afterloadista diastolessa Afterloadia kuvaa valtimopaine Vasemman kammion on tehtävä työtä kehittääkseen aortan painetta suuremman paineen Oikean kammion on tehtävä työtä kehittääkseen keuhkovaltimon painetta suuremman paineen Sekä preload että afterload ovat tärkeitä käsitteitä kliinisesti, sillä usein sydämen toimintahäiriöihin liittyy muutos jommassa kummassa tai molemmissa. 46
Sydämen tilavuus-paine -diagrammi EW = vasemman kammion tekemä nettotyö (net external work output) veren siirtämiseksi laskimoista valtimoihin Downloaded from: StudentConsult (on 25 October 2013 04:01 PM) 2005 Elsevier
Muutos preloadissa ja aferloadissa Normaali kammio täyttyy helposti: tilavuus voi kasvaa paljon, mutta paine kasvaa vain vähän Kts. Boron kuva 22-13 48
Homeometrinen mekanismi Mekanismissa sydänlihaksen (sarkomeerin) supistusvoimaa säädellään sarkomeerin pituudesta riippumattomasti Mekanismiin liittyy muutos supistumisvireydessä eli kontraktiliteetissa (sydänlihaksen supistumiskyvyn sisäinen mittari) Huom! preload, afterload ja syketaajuus* ovat sydänlihaksen toimintakykyyn vaikuttavia ulkoisia tekijöitä voidaan arvioida esim. kammion kyvyllä tuottaa painetta ejektion aikana (ΔP/Δt), tai ejektionopeuden mukaan Merkittävimmät kontraktiliteettia kasvattavat tekijät (ns. inotrooppiset aineet) ovat autonomisen hermoston noradrenaliini ja adrenaliini Homeometrisen mekanismin suurin merkitys on rasituksessa, kun sympatikusvaikutus suuri ja laskimopaluu vakioituu *ns. staircase ilmiö; sykkeen kohotessa sydänlihaksen jännitys kasvaa Boron, 549
Heterometrinen mekanismi ja positiivinen inotropismi 50
Inotropismi Sydänsairaudet pienentävät sydämen toimintareserviä eli kykyä lisätä pumppaustehoa sekä heterometrisellä että homeometrisellä mekanismilla. 51
52
YHTEENVETO: Luustolihaksen ja sydänlihaksen supistumiskykyä säätelevät mekanismit Mekanismi Yksittäisten lihassupistusten summaatio (osittainen tai täydellinen tetanus) Aktiivisten motoristen yksiköiden määrän vaihtelu Lihassolun pituuteen liittyvät muutokset (pituuden suhde tensioon, Starlingin laki) Lihassolun sisäisten ominaisuuksien muuntelu (inotrooppinen ja lusitrooppinen tila) Merkitys luustolihaksessa Pieni Suuri Yleensä pieni Pieni Merkitys sydänlihaksessa Ei merkitystä Ei merkitystä Suuri merkitys lyhytkestoisissa vasteissa (beat-to-beat regulation; sydämen output* sovitetaan inputtiin**) Pieni merkitys pitkäkestoisissa vasteissa Suuri merkitys pitkäkestoisissa vasteissa Pieni merkitys lyhytkestoisissa vasteissa 53
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 54
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! supistumisherkkyyttä 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 55
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 56
VERENVIRTAUS SEPELVALTIMOISSA SYSTOLEN JA DIASTOLEN AIKANA Vasemmassa kammiossa voimakas virtauksen aleneminen systolen aikana myokardiumin voimakas kompressio avoinna oleva aorttaläppä estää virtausta suurin osa virtauksesta diastolen aikana 57
Ekstravaskulaarinen kompressio estää veren virtausta systolen aikana! Myocardium Katz, 2011 58
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 59
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 60
SYDÄMEN ENERGIA-AINEENVAIHDUNTA Kettunen ym., 2008, Kirjassa: Kardiologia, Duodecim 61
TERVE PUMPPU Sydänlihassolut supistuvat säännöllisesti ja synkronoidusti Patologista: arytmia, asynkronia Läpät avautuvat täydellisesti Patologista: stenoosi Läpät sulkeutuvat täydellisesti Patologista: läppävuoto (esimerkiksi hiippaläpän vuoto, insufficientia valvae mitralis) Sydänlihas supistuu vireästi Patologista: systolinen toimintahäiriö (esim. sydänlihasvaurio, iskemia) Kammiot täyttyvät riittävästi diastolessa Patologista: diastolinen toimintahäiriö (esim. kammioseinämän hypertrofia ja fibroosi) Kiitos!