Grundlagen

Physiologie von Herz und Kreislauf

Herzleistung, Aktionspotenzial, elektromechanische Kopplung, Gefäßtonus, Regulation und myokardiale Sauerstoffbilanz, so weit sie die Angriffspunkte der Herz-Kreislauf-Pharmaka erklären. Den Kern bilden die Ionenströme des Aktionspotenzials und der Ca²⁺-Weg im Kardiomyozyten.

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Dein roter Faden7 Punkte
  • Einordnung: Herz-Kreislauf-Pharmaka verstellen wenige Größen: Frequenz, Kontraktilität, Ionenströme, Gefäßtonus und Volumen.
  • Herzleistung: HZV = Schlagvolumen × Herzfrequenz, das Schlagvolumen hängt von Vorlast, Nachlast und Kontraktilität ab, Frank-Starling passt den Auswurf an die Füllung an.
  • Erregung: Der If-Strom durch HCN-Kanäle treibt das Schrittmacherpotenzial, Knotenzellen depolarisieren über L-Typ-Ca²⁺-Kanäle, das Arbeitsmyokard über Na⁺ mit Ca²⁺-Plateau und K⁺-Repolarisation (hERG, QT-Zeit).
  • Elektromechanische Kopplung: L-Typ-Ca²⁺-Einstrom löst über RyR2 die Ca²⁺-Freisetzung aus dem SR aus, SERCA und NCX beenden sie, die Na⁺/K⁺-ATPase hält den Na⁺-Gradienten für den NCX.
  • Gefäßtonus und Blutdruck: Blutdruck = HZV × TPR, Ca²⁺-Calmodulin-MLCK kontrahiert, NO-sGC-cGMP-PKG relaxiert, Arteriolen bestimmen die Nachlast, Venen die Vorlast.
  • Regulation: Sympathikus (β₁) wirkt positiv chrono-, dromo-, ino- und bathmotrop, der Vagus (M₂) vor allem negativ chrono- und dromotrop, der Barorezeptorreflex regelt kurzfristig.
  • Sauerstoffbilanz: Bedarf aus Frequenz, Kontraktilität und Wandspannung, Angebot vor allem aus Diastolendauer und Perfusionsdruck, daher ist Frequenzsenkung antianginös.

Orientierung

Das Herz pumpt Blut in zwei Systeme. Das arterielle Hochdrucksystem verteilt es unter Druck auf die Organe. Das Niederdrucksystem aus Venen, rechtem Herzen und Lungenkreislauf speichert den Großteil des Blutvolumens und füllt das Herz.

Fast alle Herz-Kreislauf-Pharmaka verstellen eine von wenigen Größen: Frequenz, Kontraktilität, Ionenströme des Aktionspotenzials, Gefäßtonus oder Volumen. Wer diese Größen kennt, kann Wirkungen und unerwünschte Wirkungen der Klassen ableiten. Die vegetative Innervation setzt die Physiologie des vegetativen Nervensystems voraus.

Herzleistung und Herzzyklus

Das Herzzeitvolumen (HZV) ist das pro Minute ausgeworfene Blutvolumen: HZV = Schlagvolumen × Herzfrequenz. Das Schlagvolumen bestimmen drei Größen:

  • Vorlast: enddiastolische Füllung und Dehnung des Ventrikels, abhängig vor allem vom venösen Rückstrom.
  • Nachlast: systolische Wandspannung, gegen die der Ventrikel auswirft, bestimmt vor allem durch arteriellen Druck und peripheren Widerstand.
  • Kontraktilität (Inotropie): Kraftentwicklung unabhängig von der Vordehnung, gesteuert über das intrazelluläre Ca²⁺-Angebot.

Der Frank-Starling-Mechanismus koppelt Füllung und Auswurf: Mehr Vordehnung verbessert die Überlappung von Aktin und Myosin und erhöht die Ca²⁺-Empfindlichkeit der Myofilamente. Das Schlagvolumen steigt also ohne nervale Steuerung, und beide Ventrikel bleiben im Gleichgewicht. Im überdehnten, insuffizienten Herzen ist diese Reserve erschöpft, daher entlastet Vorlastsenkung, ohne Leistung zu kosten.

  • Systole: isovolumetrische Anspannung, dann Austreibung.
  • Diastole: Entspannung, dann Füllung. Der linke Ventrikel wird fast nur jetzt durchblutet, weil die systolische Wandspannung die intramuralen Koronargefäße komprimiert.
  • Tachykardie: verkürzt vor allem die Diastole, also Füllung und Koronarperfusion.

Erregungsbildung und Erregungsleitung

Die Erregung entsteht im Sinusknoten, läuft über die Vorhöfe zum AV-Knoten, der sie verzögert und die Kammern so vor zu schnellen Vorhoffrequenzen schützt, und erreicht über His-Bündel, Tawara-Schenkel und Purkinje-Fasern rasch das Kammermyokard.

Schrittmacherzellen

Sinus- und AV-Knoten haben kein stabiles Ruhepotenzial. In Phase 4 depolarisiert das Schrittmacherpotenzial langsam bis zur Schwelle. Getragen wird es vom If-Strom, einem Na⁺/K⁺-Einwärtsstrom durch HCN-Kanäle (im Sinusknoten HCN4), die bei Hyperpolarisation öffnen und durch cAMP direkt aktiviert werden. Der Aufstrich entsteht über L-Typ-Ca²⁺-Kanäle statt über Na⁺-Kanäle: Deshalb leitet der AV-Knoten langsam und reagiert empfindlich auf Ca²⁺-Kanalblockade.

Arbeitsmyokard

Das Aktionspotenzial des Arbeitsmyokards dauert lange, weil ein Ca²⁺-Plateau die Repolarisation hinauszögert.

Zwei Membranpotenzialkurven mit beschrifteten Phasen und Ionenströmen sowie ein darunter liegender EKG-Ausschnitt.

Schrittmacher- und Arbeitsmyokard-Aktionspotenzial mit Ionenströmen und EKG-Korrelat.
Phase Vorgang tragender Strom
0 schneller Aufstrich Na⁺-Einstrom (Nav1.5)
1 frühe Repolarisation transienter K⁺-Ausstrom (Ito)
2 Plateau Ca²⁺-Einstrom (L-Typ) ≈ K⁺-Ausstrom
3 Repolarisation K⁺-Ausstrom (IKr über hERG, IKs)
4 Ruhepotenzial um −90 mV K⁺-Einwärtsgleichrichter (IK1)
📖 Definition: Refraktärzeit

Zeit, in der die Na⁺-Kanäle inaktiviert sind und erst nach Repolarisation wieder öffnen können. Sie dauert etwa so lang wie die Kontraktion: Das Herz kann nicht tetanisch kontrahieren, und vorzeitige Erregungen treffen auf unerregbares Gewebe.

Das EKG ist das elektrische Korrelat dieser Vorgänge:

  • PQ-Zeit: Vorhoferregung plus AV-Überleitung → verlängert durch negativ dromotrope Pharmaka.
  • QRS-Komplex: Kammerdepolarisation (Phase 0) → verbreitert durch Na⁺-Kanalblocker.
  • QT-Zeit: Kammerde- und -repolarisation → verlängert durch hERG-Blockade, Risiko für Torsade de pointes.

Elektromechanische Kopplung

Die elektromechanische Kopplung übersetzt das Aktionspotenzial in Kraft. Entscheidend ist, wie viel Ca²⁺ die Myofilamente erreicht.

Schema eines Herzmuskelzellausschnitts mit Ionenkanälen, Pumpen, Austauscher und Ca²⁺-Pfeilen zwischen Extrazellulärraum, Zytosol und sarkoplasmatischem Retikulum.

Ca²⁺-Kreislauf im Kardiomyozyten: Trigger, Freisetzung, Kontraktion und Rückführung.
  1. Trigger: Das Aktionspotenzial öffnet in den T-Tubuli L-Typ-Ca²⁺-Kanäle (Cav1.2) → kleiner Ca²⁺-Einstrom in Phase 2.
  2. Ca²⁺-induzierte Ca²⁺-Freisetzung: Ca²⁺ öffnet Ryanodinrezeptoren (RyR2) des sarkoplasmatischen Retikulums (SR) → der Großteil des Ca²⁺ stammt aus dem SR.
  3. Kontraktion: Ca²⁺ bindet Troponin C → Tropomyosin gibt die Myosinbindungsstellen am Aktin frei → Querbrückenzyklus.
  4. Relaxation: SERCA2a pumpt Ca²⁺ ins SR zurück (PKA-Phosphorylierung von Phospholamban hebt dessen Hemmung auf), der Na⁺/Ca²⁺-Austauscher (NCX) schafft Ca²⁺ im Tausch gegen 3 Na⁺ hinaus.
  5. Gradient: Die Na⁺/K⁺-ATPase (3 Na⁺ hinaus, 2 K⁺ hinein) hält den Na⁺-Gradienten, der den NCX antreibt.

Hemmen Herzglykoside die Na⁺/K⁺-ATPase, steigt intrazellulär Na⁺, der NCX transportiert weniger Ca²⁺ hinaus und das SR wird stärker beladen: positiv inotrop. Umgekehrt wirken Ca²⁺-Kanalblocker am Herzen negativ inotrop.

Gefäßtonus und Blutdruck

Der Blutdruck ergibt sich aus Herzzeitvolumen und totalem peripherem Widerstand (TPR), der Summe der Strömungswiderstände des Körperkreislaufs. Der TPR hängt vor allem vom Radius der Arteriolen ab, der nach Hagen-Poiseuille in der vierten Potenz eingeht.

💡 Merke

Mittlerer arterieller Druck = Herzzeitvolumen × totaler peripherer Widerstand. Jedes Antihypertensivum senkt mindestens einen der beiden Faktoren.

Glatte Gefäßmuskulatur kontrahiert, wenn Ca²⁺ steigt (Einstrom über L-Typ-Kanäle, IP₃-vermittelte Freisetzung nach α₁- oder AT₁-Aktivierung). Ca²⁺-Calmodulin aktiviert die Myosin-leichte-Ketten-Kinase (MLCK), die phosphorylierten leichten Ketten ermöglichen den Querbrückenzyklus. Der wichtigste Gegenspieler ist der NO-sGC-cGMP-Signalweg:

  1. Endothel: eNOS bildet aus L-Arginin NO (Reize: Scherkraft, Acetylcholin, Bradykinin).
  2. Diffusion: NO gelangt in die Muskelzelle und bindet das Häm-Eisen der löslichen Guanylatcyclase (sGC).
  3. Second Messenger: sGC bildet cGMP → Proteinkinase G (PKG).
  4. Relaxation: PKG senkt Ca²⁺ und aktiviert die MLC-Phosphatase → Vasodilatation. cGMP-Abbau durch PDE-5 (PDE-5-Hemmer).
A Arterielle Widerstandsgefäße
  • Bestimmen: TPR und Nachlast
  • Dilatation: Blutdruck ↓, Reflextachykardie
B Venöse Kapazitätsgefäße
  • Bestimmen: venösen Rückstrom und Vorlast
  • Dilatation: venöses Pooling, Vorlast ↓, orthostatische Hypotonie

Regulation

Am Herzen wirkt der Sympathikus über β₁-Rezeptoren (Gs → cAMP ↑ → PKA phosphoryliert L-Typ-Kanal und Phospholamban, cAMP aktiviert HCN-Kanäle direkt). Der Vagus wirkt über M₂-Rezeptoren (Gi → cAMP ↓, Gβγ öffnet GIRK-Kanäle → Hyperpolarisation). Details zu Rezeptoren und Signalwegen: adrenerges System und cholinerges System.

Begriff betrifft Sympathikus (β₁) Vagus (M₂)
Chronotropie Frequenz (Sinusknoten) ↑ ↓
Dromotropie AV-Überleitung ↑ ↓
Inotropie Kontraktionskraft ↑ kaum (Kammern spärlich vagal innerviert)
Bathmotropie Erregbarkeit (Schwelle) ↑ ↓ (vor allem Vorhof)

Der Barorezeptorreflex regelt den Druck in Sekunden: Dehnungsrezeptoren in Sinus caroticus und Aortenbogen melden einen Anstieg an den Hirnstamm (Nucleus tractus solitarii) → Sympathikus ↓, Vagus ↑ → Frequenz, Kontraktilität und TPR sinken. Fällt der Druck, läuft der Reflex umgekehrt, daher die Reflextachykardie nach arteriellen Vasodilatatoren. Bei anhaltender Hypertonie stellt er sich neu ein, langfristig bestimmen Volumen und Hormone den Druck (RAAS, Nierenfunktion).

Myokardiale Sauerstoffbilanz

Die myokardiale Sauerstoffbilanz ist das Verhältnis von O₂-Angebot zu O₂-Bedarf. Übersteigt der Bedarf das Angebot, entsteht Ischämie.

A O₂-Bedarf
  • Herzfrequenz
  • Kontraktilität
  • Wandspannung: nach Laplace ∝ Druck × Radius / Wanddicke, also Vor- und Nachlast
B O₂-Angebot
  • Diastolendauer
  • Perfusionsdruck: diastolischer Aortendruck minus linksventrikulärer enddiastolischer Druck
  • Koronarwiderstand und O₂-Gehalt des Blutes

Das Myokard schöpft schon in Ruhe fast den gesamten Sauerstoff aus, Mehrbedarf lässt sich nur über mehr Fluss decken. Die Autoregulation erweitert dazu metabolisch (Adenosin, H⁺, CO₂) die Koronararteriolen. Hinter einer Stenose ist diese Reserve bereits in Ruhe teilweise verbraucht (KHK).

Prüferinnenfrage
Warum ist eine Frequenzsenkung bei Angina pectoris doppelt günstig?
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Sie senkt den Bedarf, weil das Herz pro Minute weniger Kontraktionen leistet. Zugleich verlängert sie überproportional die Diastole, in der der linke Ventrikel durchblutet wird, und erhöht so das Angebot. Deshalb wirken Betablocker und If-Kanalblocker antianginös, eine Reflextachykardie ist dagegen ungünstig.

Pharmakologische Angriffspunkte

Jede große Klasse der Herz-Kreislauf-Pharmaka verstellt eine der beschriebenen Stellgrößen.

Schema von Herz, Gefäßen und Niere mit markierten Angriffsorten der wichtigsten Herz-Kreislauf-Arzneistoffklassen.

Angriffspunkte der Herz-Kreislauf-Pharmaka an Herz, Gefäßen und Volumenregulation.
Angriffspunkt Arzneistoffklasse Effekt
β₁-Rezeptor (Sympathikus) Betablocker Frequenz, Inotropie, AV-Leitung ↓ → O₂-Bedarf ↓
HCN4 (If) im Sinusknoten If-Kanalblocker nur Frequenz ↓, Inotropie unverändert
L-Typ-Ca²⁺-Kanal Calciumkanalblocker Dihydropyridine: TPR ↓; Verapamil, Diltiazem: zusätzlich Frequenz und AV-Leitung ↓
NO-sGC-cGMP Organische Nitrate, sGC-Stimulatoren Vasodilatation, Nitrate betont venös → Vorlast ↓
Na⁺/K⁺-ATPase Herzglykoside Inotropie ↑, AV-Leitung ↓
Na⁺-, K⁺-, Ca²⁺-Kanäle des Aktionspotenzials Antiarrhythmika Leitung ↓ oder Refraktärzeit ↑
Volumen, Angiotensin II, Aldosteron RAAS-Hemmer, Diuretika Vor- und Nachlast ↓

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wie in der mündlichen Prüfung iBei „Prüferin fragt“ antwortest du erst selbst, laut oder im Kopf, deckst dann die Antwort auf und hakst ab, welche Kernpunkte du genannt hast. Danach kommen Nachfragen wie in der echten Prüfung. Die übrigen Karten (Zuordnen, Reihenfolge, Warum, Richtig oder falsch) prüfen das Wissen, das du dafür brauchst.

Aussage 1

Der Vagus wirkt über M₂-Rezeptoren stark negativ inotrop auf die Herzkammern.

Die Kammern sind vagal nur spärlich innerviert. Der Vagus wirkt vor allem negativ chronotrop und dromotrop, kaum inotrop.

Aussage 2

Der linke Ventrikel wird überwiegend in der Diastole durchblutet.

In der Systole komprimiert die Wandspannung die intramuralen Koronargefäße, deshalb fällt die Perfusion des linken Ventrikels überwiegend in die Diastole.

Aussage 3

Eine Blockade von hERG-Kanälen verlängert die QT-Zeit.

hERG trägt den repolarisierenden K⁺-Strom IKr in Phase 3. Seine Blockade verzögert die Repolarisation und verlängert die QT-Zeit.

Lückentext

Zuordnen

Reihenfolge

Warum?

Aussage 8

Venöse Kapazitätsgefäße bestimmen vor allem die Nachlast des Herzens.

Venen bestimmen über den venösen Rückstrom die Vorlast. Die Nachlast bestimmen die arteriellen Widerstandsgefäße.

Aussage 9

Im Sinusknoten wird der Aufstrich des Aktionspotenzials von schnellen Na⁺-Kanälen getragen.

In Sinus- und AV-Knoten entsteht der Aufstrich über L-Typ-Ca²⁺-Kanäle. Schnelle Na⁺-Kanäle tragen Phase 0 im Arbeitsmyokard.

Prüferin fragt

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