Elektromechanische Kopplung

Die elektromechanische Kopplung ist der Prozess, der das elektrische Aktionspotential einer Herzzelle mit ihrer mechanischen Kontraktion verbindet. Im Herzmuskel ist Kalzium der entscheidende Vermittler: Die Depolarisation lässt eine geringe Menge Kalzium durch die Zellmembran einströmen, was die Freisetzung einer größeren Kalziummenge aus dem sarkoplasmatischen Retikulum auslöst, und dieser Anstieg des intrazellulären Kalziums aktiviert die kontraktile Maschinerie.

Definition

Die elektromechanische Kopplung im Herzen ist die Kette von Ereignissen, durch die das kardiale Aktionspotential einen Anstieg des intrazellulären Kalziums auslöst, der die kontraktilen Proteine aktiviert, hauptsächlich durch Kalziumeinstrom über L-Typ-Kalziumkanäle, der eine kalziuminduzierte Kalziumfreisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum hervorruft.

Scope

Dieser Eintrag behandelt die Abfolge von der Membrandepolarisation bis zur Myofilamentaktivierung, die zentrale Rolle der kalziuminduzierten Kalziumfreisetzung, die beteiligten Strukturen (T-Tubuli, L-Typ-Kalziumkanäle, Ryanodinrezeptoren, das sarkoplasmatische Retikulum) und die Mechanismen, die Kalzium zur Entspannung wiederherstellen. Es handelt sich um eine physiologische Referenz und behandelt kontraktile Dysfunktion nicht als klinisches Thema.

Core questions

• Wie führt ein elektrisches Aktionspotential zur Muskelkontraktion?
• Was ist kalziuminduzierte Kalziumfreisetzung?
• Welche Strukturen und Proteine übertragen das Kalziumsignal?
• Wie wird Kalzium entfernt, damit sich die Zelle entspannen kann?

Key concepts

• Kalziuminduzierte Kalziumfreisetzung
• L-Typ-Kalziumkanäle
• Ryanodinrezeptoren
• Sarkoplasmatisches Retikulum und Kalziumspeicher
• T-Tubuli und dyadischer Spalt
• SERCA-Kalzium-Wiederaufnahme
• Natrium-Kalzium-Austauscher
• Kalziumtransient

Key theories

Kalziuminduzierte Kalziumfreisetzung

Ein geringer Kalziumeinstrom durch L-Typ-Kalziumkanäle während des Aktionspotentials löst eine wesentlich größere Kalziumfreisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum über Ryanodinrezeptoren aus, wodurch das Signal, das die Kontraktion aktiviert, verstärkt wird.

Mechanisms

Wenn das Aktionspotential die Membran depolarisiert, öffnen sich spannungsgesteuerte L-Typ-Kalziumkanäle in den T-Tubuli und ermöglichen einen geringen Kalziumeinstrom. Im engen dyadischen Spalt aktiviert dieses Trigger-Kalzium Ryanodinrezeptoren am angrenzenden sarkoplasmatischen Retikulum, die eine wesentlich größere Menge an gespeichertem Kalzium in das Zytosol freisetzen, ein Prozess, der als kalziuminduzierte Kalziumfreisetzung bezeichnet wird. Das resultierende Kalziumtransient ermöglicht die Bindung von Kalzium an Troponin C auf den dünnen Filamenten, wodurch die Hemmung aufgehoben und der Aktin-Myosin-Querbrückenzyklus sowie die Kontraktion ermöglicht werden. Die Entspannung folgt, wenn Kalzium aus dem Zytosol entfernt wird: Der größte Teil wird durch die SERCA-Pumpe zurück in das sarkoplasmatische Retikulum gepumpt, während der Rest hauptsächlich durch den Natrium-Kalzium-Austauscher über die Zellmembran ausgeschleust wird, wodurch ein niedriger Ruhe-Kalziumspiegel für den nächsten Schlag wiederhergestellt wird. Die Menge des freigesetzten Kalziums und damit die Kontraktionsstärke können moduliert werden, wodurch die elektrische Aktivität mit einer abgestuften mechanischen Leistung verknüpft wird.

Clinical relevance

Die Kalzium-Handling-Schritte der elektromechanischen Kopplung bilden die Grundlage der Physiologie der kardialen Kontraktilität und bieten den Rahmen für das Verständnis, wie die Kontraktionskraft reguliert wird. Dieser Eintrag beschreibt die normale zelluläre Physiologie und dient als Bildungshintergrund, nicht als Grundlage für individuelle Diagnosen oder Behandlungen.

History

Die Vorstellung, dass intrazellulär freigesetztes Kalzium die Erregung mit der Kontraktion verbindet, entwickelte sich im Laufe der Muskelphysiologie des 20. Jahrhunderts, und das spezifische Konzept der kalziuminduzierten Kalziumfreisetzung wurde für den Herzmuskel als Mechanismus zur Verstärkung des geringen Trigger-Kalziumeinstroms etabliert. Nachfolgende Arbeiten integrierten den L-Typ-Kalziumkanal, den Ryanodinrezeptor, das sarkoplasmatische Retikulum und die Kalzium-Entfernungswege in die heute standardmäßige Beschreibung, die in modernen Übersichten zusammengefasst ist.

Key figures

• Donald Bers
• David Eisner
• Andrew Trafford
• Edward Lakatta

Seminal works

• bers-2002
• eisner-2017

Frequently asked questions

Was ist kalziuminduzierte Kalziumfreisetzung?

Es ist der Prozess, bei dem eine geringe Menge Kalzium, die während des Aktionspotentials durch L-Typ-Kanäle eintritt, Ryanodinrezeptoren dazu anregt, einen viel größeren Kalziumspeicher aus dem sarkoplasmatischen Retikulum freizusetzen, was dann die Kontraktion aktiviert.

Wie entspannt sich die Zelle nach der Kontraktion?

Kalzium wird aus dem Zytosol entfernt, hauptsächlich durch die SERCA-Pumpe zurück in das sarkoplasmatische Retikulum gepumpt und teilweise durch den Natrium-Kalzium-Austauscher ausgeschleust, sodass Kalzium die kontraktilen Proteine nicht mehr aktivieren kann.