Kontraktionsmechanismus und Vorhofsystole
Die Myokardkontraktion erfolgt durch die Interaktion der Proteine Aktin und Myosin unter Beteiligung von Calciumionen. Im Gegensatz zur Skelettmuskulatur erhalten Kardiomyozyten $Ca^{2+}$ nicht nur aus dem endoplasmatischen Retikulum, sondern auch aus dem extrazellulären Raum. Dieses Phänomen wird als „Calciumeinstrom“ bezeichnet.
Der Zyklus beginnt mit der Vorhofsystole, die rechts 110 ms und links 100 ms dauert. In diesem Moment wird Blut in die Ventrikel ausgeworfen. Eine wichtige Rolle spielen die Herzohren: Sie sorgen für die notwendige Dehnung der Vorhöfe und arbeiten als zusätzliche Pumpe. Die rechte und die linke Herzhälfte kontrahieren nahezu gleichzeitig, mit minimaler Asynchronität aufgrund der Besonderheiten der Erregungsausbreitung.
Anspannungsphase und Blutaustreibung
Die Ventrikelsystole beginnt mit der Anspannungsphase, die aus zwei Schritten besteht:
- Asynchrone Kontraktion.
- Isometrische Kontraktion: Die Kardiomyozyten spannen sich an, verkürzen sich jedoch nicht. Das Kammervolumen ändert sich nicht, da Blut inkompressibel ist und alle Klappen geschlossen sind.
Sobald der Druck im rechten Ventrikel 15 mmHg und im linken Ventrikel 80 mmHg erreicht, öffnen sich die Semilunarklappen und das Blut strömt in die Gefäße.
Zu diesem Zeitpunkt sind die Atrioventrikularklappen (Mitral- und Trikuspidalklappe) geschlossen. Damit die Segel nicht in die Vorhöfe zurückgestülpt werden (Prolaps), werden sie durch Sehnenfäden (Chordae tendineae) festgehalten, die an den sich kontrahierenden Papillarmuskeln befestigt sind. Diese Fäden dienen zudem als Stoßdämpfer und fangen den hydraulischen Druckstoß ab.
Entspannung und Diastole
Wenn sich die Ventrikel zu entspannen beginnen, fällt der Druck in ihnen unter den in Aorta und Truncus pulmonalis ab. Das Blut strömt zurück, füllt die „Taschen“ der Semilunarklappen und schlägt diese zu. In der Aortenwand befinden sich elastische und Kollagenfasern: Sie dämpfen den Blutschlag und bringen die Klappen in ihre Ausgangsposition zurück (diese Funktion wird bei der Konstruktion künstlicher Klappen berücksichtigt).
Es folgt die Phase der isometrischen Relaxation (60 ms für den rechten und 80 ms für den linken Ventrikel). Die Muskelfaserlänge bleibt konstant, die Klappen sind geschlossen und der Druck sinkt auf 5–10 mmHg.
Ventrikuläre Füllung
Blut fließt nur während der Diastole aus den Venen ins Herz. Die Ventrikelfüllung unterteilt sich in mehrere Phasen:
- Schnelle Füllung (80 ms). Die Atrioventrikularklappen öffnen sich. Das Blut füllt die Kammern aufgrund des Druckgefälles und der raschen Entspannung der Wände schnell. Die Füllung der Koronardarterien erzeugt das sogenannte „hydraulische Gerüst“, das den Ventrikeln physisch bei der Entfaltung hilft. Der Druck fällt fast auf Null.
- Langsame Füllung (160–170 ms). Die Blutflussgeschwindigkeit sinkt aufgrund des abnehmenden Druckgradienten und des elastischen Widerstands der Ventrikelwände.
Die Füllung wird durch die nächste Vorhofsystole abgeschlossen.
Herzarbeit und Hämodynamik
Die physikalische Arbeit des Herzens entspricht dem Produkt aus Druckänderung und Volumenänderung ($ \Delta P \times \Delta V $). Im Druck-Volumen-Diagramm stellt sich diese Arbeit als Schleifenfläche dar.
- Erhöhung des venösen Rückflusses (Starling-Gesetz): führt zu einem Anstieg des Schlagvolumens und der Herzarbeit, während der Blutdruck dabei nicht ansteigt.
- Erhöhung des Gefäßwiderstands (Nachlast): zwingt das Herz zu größerer Arbeit und erhöht den Blutdruck, das Schlagvolumen bleibt jedoch unverändert.
Kurz gefasst: Antworten auf Fragen zum Thema
Aus welchen Phasen besteht die Austreibungsphase der Ventrikel?
Die Austreibungsphase der Ventrikel besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Phasen.
- Schnelle Austreibungsphase — dauert 120 ms, geht mit der Öffnung der Aortenklappe und dem maximalen Auswurf einher.
- Langsame Austreibungsphase — dauert 130 ms, ist durch einen Abfall der Flussgeschwindigkeit vor dem Schließen der Klappen gekennzeichnet.
Während beider Phasen übersteigt der Ventrikeldruck den Druck im Truncus pulmonalis und in der Aorta.
Welche Herztöne (Schallphänomene) entstehen in den verschiedenen Phasen des Herzzyklus?
In den verschiedenen Phasen des Herzzyklus treten physiologischerweise der erste und der zweite Ton auf, während bei der Registrierung des Phonokardiogramms zudem der 3. und 4. Ton nachweisbar sind.
- 1. Ton — systolischer Ton, tritt zu Beginn der Ventrikelsystole (isometrische Kontraktionsphase) beim Zuschlagen der Atrioventrikularklappen auf.
- 2. Ton — diastolischer Ton, entsteht zu Beginn der Diastole durch das Zuschlagen der Aorten- und Pulmonalklappe.
Wie verhält sich der Vorhofdruck während des Herzzyklus?
Der Druck in den Vorhöfen verändert sich im Laufe des Herzzyklus: Auf der Druckkurve des linken Vorhofs zeigen sich niederamplitudige Schwingungen. Bei steigendem Vorhofdruck fließt Blut in die Ventrikel. Nach dem Öffnen der Trikuspidalklappe fällt der Druck in Vorhöfen und Venen ab, da Blut aus dem rechten Vorhof in den rechten Ventrikel strömt. Im Moment der Diastole des rechten Vorhofs sinkt der Druck in diesem und in den Hohlvenen, was den Bluteinstrom aus tiefer gelegenen Venen begünstigt.
Die Abfolge des Blutstroms in der Diastole lässt sich leicht merken: Venen → Vorhöfe → Ventrikel. Während der Systole ist der Bluteintritt ins Herz vollständig blockiert.
Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen
Warum ändert sich das Ventrikelvolumen während der isometrischen Kontraktion nicht?
In dieser Phase sind die Atrioventrikularklappen und Semilunarklappen fest verschlossen, und Blut ist eine inkompressible Flüssigkeit. Daher spannen sich die Muskelfasern an, können jedoch die Gesamtlänge und das Kammervolumen nicht verändern.
Was ist das „hydraulische Herzgerüst“?
Dies ist ein physikalischer Effekt, der zu Beginn der Myokardrelaxation bei der Blutfüllung der Koronargefäße auftritt. Die gefüllten Gefäße verleihen den Ventrikelwänden Steifigkeit und helfen ihnen, sich zu entfalten und Blut anzusaugen.
W wodurch wird die Langlebigkeit der Herzklappen gewährleistet?
Die Langlebigkeit wird durch Dämpfung erreicht: Atrioventrikularklappen werden durch den Zug elastischer Sehnenfäden abgesichert, Semilunarklappen hingegen durch einen Komplex aus Kollagen- und elastischen Fasern in den Gefäßwänden.
Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt
- Erregungs-Kopplung (Rolle des T-Systems)
- Druckverlaufskurven in den Herzkammern
- Mechanismus der Herztonec-Entstehung im Phonokardiogramm (PCG)
- Frank-Starling-Mechanismus und Regulation des Schlagvolumens
- Physik der Hämodynamik: Berechnung der Herzarbeit
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