Versuch II: Untersuchungen am isolierten Herzen (Straub

Versuch II: Untersuchungen am isolierten Herzen
(Straub- und Langendorff-Präparation)
Praktikumsanleitung für Biochemiker und Ernährungswissenschaftler
1.
Untersuchung ionaler und humoraler Effekte am isolierten
Froschherzen
1.1.
Aufgabenstellung
In diesem Versuchsteil sollen folgende Effekte am isolierten Froschherzen untersucht werden:
1.
2.
3.
4.
5.
Applikation isotonischer Kochsalzlösung
Applikation von Adrenalin
Erhöhung der extrazellulären K+-Konzentration
Entzug von Ca2+-Ionen
Applikation eines Betablockers (selektiver β1-Rezeptorenblocker) und eines Calciumantagonisten (Ca2+-Kanalblocker Verapamil)
1.2.
Die Präparation des Froschherzens nach Straub
Die Präparation des Froschherzens wird vor dem Praktikum durch Mitarbeiter des Institutes für
Physiologie vorgenommen. Um Ihnen eine Vorstellung vom Ablauf zu geben, folgt eine kurze
Beschreibung der Präparationsschritte.
Man verwendet für diesen Versuch den Krallenfrosch Xenopus laevis. Das Froschherz ist etwas
anders aufgebaut als das Herz eines Säugers (Abb. 1). Es besitzt zwei komplett getrennte
Vorhöfe, aber nur einen Ventrikel. Der linke Vorhof erhält oxygeniertes Blut aus der Lunge; der
rechte Vorhof sammelt venöses Blut aus dem Körperkreislauf. Obwohl der Ventrikel nicht wie bei
den Säugetieren geteilt ist, werden sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Blut nur teilweise
durchmischt. Sauerstoffreicheres Blut wird in die Körperarterien geleitet; sauerstoffärmeres Blut
gelangt in die Lungen und die Haut, wo das Blut wieder mit Sauerstoff angereichert wird.
Zur Präparation wird der Truncus arteriosus mit einem Faden abgebunden. An der V. cava
posterior wird mit einer Schere möglichst herzfern ein kleiner Schnitt angebracht. Eine vorher mit
Ringerlösung gefüllte Straubkanüle wird an der Schnittstelle eingeführt und so weit vorgeschoben,
bis sich die Spitze der Kanüle im Ventrikel befindet. Das vom Herzen in die Straubkanüle
gedrückte Blut wird sorgfältig abgesaugt und durch Ringerlösung ersetzt. Mit einem Faden wird die
Kanüle möglichst herzfern an der Vene fixiert, damit der Sinus venosus, der primäre
Schrittmacher, nicht abgebunden wird. Nun wird das Herz zusammen mit der Straubkanüle aus
dem Frosch durch Abtrennen der noch bestehenden Verbindungen herausgenommen. Für die
Messungen wird die Kanüle an einem Stativ befestigt. Der mittlere Flüssigkeitspegel in der Kanüle
soll bei etwa 20 mm konstant gehalten werden, damit im Herzen immer der gleiche Druck herrscht.
Achten Sie während der Messungen darauf, dass keine Luftblasen in das Herz gelangen!
Die Ventrikelspitze wird mittels einer elastischen Klemme mit einem am Stativ befestigten
mechanischen Wegeaufnehmer verbunden, der wiederum an einen Messrechner angeschlossen
ist. Der Zugfaden wird vorsichtig gespannt. Die mit der Systole verbundene Verkürzung des
Herzens erzeugt so ein zeitabhängiges Signal, das so genannte Herz-Mechanogramm.
- 1-
Abb. 1: Blutkreislauf des Frosches (Abb. nach Storch und Welsch 1993)
1.3.
Versuchsdurchführung
Das Herz-Mechanogramm wird mit Hilfe einer speziellen Software erfasst und graphisch
dargestellt. Machen Sie sich zunächst mit dem Programm vertraut. Ein Student pro Gruppe sollte
die Bedienung des Programms übernehmen, während die anderen für die Applikation der
Substanzen verantwortlich sind.
Das Herz muss während des gesamten Versuches feucht gehalten werden, indem es ständig mit
Ringerlösung versorgt wird. Dabei ist darauf zu achten, dass die Kanüle ständig mit einem
konstanten Flüssigkeitslevel gefüllt ist. Außerdem sollte das Herz auch von außen mit Hilfe einer
Pipette mit Ringerlösung umspült werden. Dabei sollte es jedoch nicht mechanisch gereizt werden.
Achten Sie darauf, dass das Herz beim Tauschen der Lösungen keine Luft zieht.
Abb. 2: Registrierung der Kontraktionsamplituden durch die Software
- 2-
Applizieren Sie nacheinander die folgenden Lösungen, deren Zusammensetzung in Tabelle 1
angegeben ist:
Ca2+-freie Ringerlösung
isotonische NaCl-Lösung.
K+-reiche Ringerlösung
Ringerlösung
Zugabe von Adrenalin zur Ringerlösung (wenige Tropfen der bereitgestellten Lösung)
Zugabe von 20-30 µl des Betablockers (Beloc i.v., Wirkstoff Metoprololtartrat). Waschen Sie
anschließend die Lösung mit Ringerlösung aus.
7. Zugabe von 5-10 µl eines Ca2+-Kanalblockers (Verahexal, Wirkstoff Verapamil), Effekt
beobachten
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Nach Applikation des Calcium-Kanalblockers bleibt das Herz meistens nach kurzer Zeit stehen. Da
sich der Calciumkanalblocker schlecht auswaschen lässt, sollte dieser Versuchsteil unbedingt als
letzter durchgeführt werden.
Ringerlösung
NaCl
NaH2PO4
MgSO4
CaCl2
KCl
NaHCO3
Glukose
100
1,0
1,6
1,6
4,0
20
5,5
100
1,0
1,6
4,0
20
5,5
2,0
1,6
55
30
5,5
2+
Ca -freie
Ringerlösung
Isotonische
NaCl-Lösung
K+-reiche
Ringer- Lösung
Tabelle 1:
1.4.
110
49
1,0
Zusammensetzung der im Praktikum verwendeten Lösungen. Alle Konzentrationen sind in
mmol/l angegeben
Auswertung
Zeichnen Sie die Wirkungen mit der Software auf und tragen Sie Ihre Beobachtungen in die
Protokollvorlage ein. Wie erklären Sie die beobachteten Effekte?
- 3-
2.
Computersimulation zur Wirkung physiologischer und
pharmakologischer Substanzen am isolierten Rattenherz
(Langendorff-Präparat)
2.1.
Einführung
Dieser Versuchsteil wird als Simulation mit der Software SimHeart durchgeführt. SimHeart ist ein
realitätsnahes Programm, das keine gemessenen Versuchsergebnisse verwendet, sondern die
Herzaktion nach einem mathematischen Algorithmus berechnet. Es besteht damit die Möglichkeit,
auch ohne Präparation eines Tieres einige der klassischen Versuche am Langendorff-Herzen im
virtuellen Labor durchzuführen.
2.2.
Aufgabenstellung
Die Software SimHeart umfasst drei Versuchsteile:
 ‘Präparation’: Drei Digitalvideos von insgesamt fünf Minuten Länge zeigen die Präparation des
Langendorff Herzens
 ‘Vorbereitung’: In einem Chemielabor sollen die im Praktikum verwendeten Wirkstofflösungen
angesetzt werden.
 ‘Praktikum’: In diesem Abschnitt werden die eigentlichen Versuche am isolierten Herzen
durchgeführt.
Abb. 3: Startbildschirm des Programms SimHeart.
Präparation
In kurzen Videoaufnahmen können Sie sich über die Präparation des Langendorff-Herzens
informieren. Die Videoclips, die durch Anklicken auf die Liste ausgewählt werden können,
umfassen drei Abschnitte:
 Entnahme des Herzens: Der Thorax der Ratte wird geöffnet, das Herz wird entnommen und in
kalter Nährlösung aufbewahrt.
 Anschließen an den Perfusor: Mit einem Bindfaden wird die Aorta am Perfusorstutzen der
Langendorff-Apparatur befestigt. Das Herz wird retrograd perfundiert.
 Anbringen des Ballonkatheters: Zur Messung der Kontraktionskraft des Herzens wird ein
Ballonkatheter in den linken Ventrikel eingeführt.
- 4-
Vorbereitung der Lösungen
Das Programm SimHeart enthält auch einen Versuchsteil, der die Vorbereitung der
Wirkstofflösungen umfasst (Abb. 4). Er dient der Übung des Umganges mit dem Ansetzen und
Verdünnen von Lösungen. Die Vorbereitung der verwendeten Lösungen ist für die Durchführung
des Versuches nicht zwingend notwendig. Aus Zeitgründen empfiehlt es sich daher, diesen
Programmteil zu überspringen oder erst nach Beendigung des (virtuellen) Versuches anzusehen.
Abb. 4 : Vorbereitung der Wirkstofflösungen. Der Abschnitt ‘Vorbereitung’ stellt ein einfaches Chemielabor
bereit, in dem die Wirkstofflösungen für das spätere Experiment anzufertigen sind.
Der gewünschte Wirkstoff lässt sich in der Auswahlliste auswählen. Im Bild erscheint dann die
entsprechende Substanzverpackung. Gleichzeitig wird die Substanzinformation unterhalb der Wirkstoffliste
aktualisiert. Es erscheint ferner ein Reagenzglasständer, der die anzusetzenden Konzentrationen anzeigt.
Um eine Wirkstofflösung anzusetzen, muss zunächst berechnet werden, wieviel ml der Stammlösung mit
wieviel ml Krebs-Lösung aufgefüllt werden müssen, damit die gewünschte Konzentration entsteht. Im
Counter ist dann die errechnete ml-Anzahl einzugeben. Durch Drücken des Pfeiles wird die eingegebene
Menge in das Reagenzglas überführt. Anschließend ist die errechnete Menge an Krebs-Lösung
hinzuzufügen. Hierzu muss in der Substanzliste ‘Krebs-Lsg.’ ausgewählt werden. Das weitere Vorgehen ist
analog.
Die so hergestellte Wirkstofflösung kann dann mit gedrückter Maustaste auf die entsprechende Position des
Reagenzglashalters gezogen werden. Jede neue angesetzte Lösung erscheint in der Auswahlliste und kann
damit als Stammlösung für weitere Verdünnungen verwendet werden.
Praktikum
In diesem Abschnitt werden die eigentlichen Versuche am isolierten Herzen durchgeführt. Im
einzelnen sollen folgende Versuche durchgeführt werden:
1.
2.
3.
4.
Wirkung von Adrenalin: Bestimmung der Dosis-Wirkungskurve
Wirkung von Acetylcholin
Wirkung des Parasympatholytikums Atropin
Wirkung des Betablockers Propranolol:
a. Bestimmung der Dosis-Wirkungskurve von Adrenalin in Gegenwart von 100 nmol/l
Propranolol
b. Wirkung des Betablockers Propranolol in Gegenwart von Adrenalin: Bestimmung der DosisWirkungskurve von Propranolol in Gegenwart von 1 µmol/l Adrenalin
5. Wirkung des Ca2+-Kanalblockers Verapamil
6. Wirkung des Digitalisglykosides Strophanthin.
- 5-
2.3.
Versuchsdurchführung
Die Laborumgebung
Machen Sie sich zunächst mit der virtuellen Versuchsumgebung vertraut. Testen Sie einige
Verstärkungsstufen („Resolution“ in mV/Div = Kästchen) und Schreibergeschwindigkeiten
(„Speed“), um eine optimale Registrierung zu erhalten. Die Nährlösung (Perfusat) fließt aus einem
Vorratsbehälter durch einen mit Carbogen durchperlten Zwischenbehälter. Das Perfusat hat eine
konstante Fließgeschwindigkeit von 10 ml/min. Dem Perfusat können Pharmakalösungen mit einer
variablen Flussgeschwindigkeit beigemischt werden. Das Gemisch wird über eine Kanüle in die
Aorta geleitet und gelangt von dort über die Herzkranzgefäße in das Herzmuskelgewebe. Dadurch
wird auch außerhalb des Organismus die Grundversorgung des Herzmuskels mit Nährstoffen und
Sauerstoff gewährleistet, während gleichzeitig die Wirkung von Pharmaka untersucht werden
kann. In der linken Herzkammer befindet sich ein Ballonkatheter, der über eine Flüssigkeitssäule
mit dem Transducer verbunden ist. Dieser wandelt die Druckänderungen infolge der
Herzkontraktionen in elektrische Signale um und gibt diese über das rote Kabel an den Verstärker
weiter.
Abb. 5: Die Laborumgebung.
Das Herz ist bereits in die Langendorff-Apparatur eingespannt und wird mit einer Nährlösung perfundiert,
deren Temperatur durch einen Thermostaten auf 37 °C gehalten wird. Der Fluss der Nährstofflösung ist auf
10 ml/min fest eingestellt.
Über den Perfusor, lassen sich der Nährstofflösung definierte Mengen der Wirkstofflösung zuführen. Hierzu
muss bei gedrückter Maustaste das Reagenzglas mit der gewünschten Konzentration in einen der beiden
Perfusor-Schächte gezogen werden. Am Zählwerk ist dann die gewünschte Stromstärke einzustellen. Der
eingestellte Wert wird durch Drücken der Pfeiltaste übernommen. Die Leuchtdiode leuchtet dann grün. Damit
die Wirkstofflösung appliziert wird, ist anschließend ist die Flusstaste zu drücken.
Der Verstärker, der an seinem Ausgang 1 mV pro 2mmHg liefert, ist bereits eingeschaltet; lediglich der
Papierschreiber muss noch aktiviert werden. Über den Drehschalter ‘Speed’ stellt man die gewünschte
Papiergeschwindigkeit in cm/s ein. Hierbei entspricht ein Kästchen auf dem Messstreifen einem cm. Über
den Regler ‘Resolution’ wählt man eine brauchbare Verstärkung. Über den Schieber lässt sich die Grundlinie
des Schreibers auf die gewünschte Höhe verstellen.
- 6-
Applikation von Substanzen
Das Herz wird ständig mit einer physiologischen Lösung (Krebslösung) mit einer Flussrate von
10 ml/min umspült. Bei der Applikation von Substanzen wird ein zusätzlicher Flüssigkeitsstrom in
diese Krebslösung geführt. Bei der Festlegung der Konzentration muss beachtet werden, dass die
eingestellten Konzentrationen durch die ständig fließende Krebslösung noch einmal verdünnt
werden.
Wenn Sie beispielsweise eine Konzentration von 10-4 M mit einer Flussrate von 10 µl/min
einstellen, so erfolgt eine Verdünnung durch die Krebslösung um den Faktor 1000, da diese
Krebslösung konstant mit 10 000 µl/min fließt. Die endgültige Konzentration der Substanz am
Herzen ist also nicht 10-4 M sondern 10-7 M. Stellen Sie dagegen eine Flussrate von 100 µl/min ein,
so ist der Verdünnungsfaktor nur 100. Die endgültige Konzentration beträgt also 10-6 M. Die Zufuhr
der Substanzen erfolgt mit Hilfe des Perfusors. Es können 2 unterschiedliche Wirkstoffe
gleichzeitig appliziert werden. Gehen Sie wie folgt vor:
1. Wirkstoff auswählen
2. Bei gedrückter Maustaste wird das Reagenzglas mit der gewünschten Konzentration aus dem
Reagenzglasständer in einen der beiden Perfusorschächte überführt.
3. Am Zählwerk den gewünschten Fluss in µl/min einstellen. Durch die rote Leuchtdiode unterhalb
des Zählwerkes wird signalisiert, dass der eingestellte Wert nur im Zählwerk eingegeben, aber
noch nicht vom Perfusor übernommen ist.
4. Pfeiltaste neben der roten Diode drücken. Die Diode wird grün. Der Wert wird vom Perfusor
übernommen und erscheint im Display der Flusstaste.
5. Zur Applikation der Substanz wird die Flusstaste gedrückt.
6. Durch Drücken der Stop-Taste wird die Applikation beendet. Achten Sie darauf, dass zwischen
den einzelnen Teilversuchen ausreichend Kontrolllösung (Krebslösung) appliziert wird, um das
Herz von Substanzresten zu befreien und somit den Ausgangszustand wiederherzustellen.
Beim parallelen Zugeben von zwei Substanzen müssen zeitgleich beide Perfusoren
angeschaltet sein.
Auslesen der Messwerte
Über die Taste ‘Analyse’ in der Laborumgebung kann man in die In die Auswerteumgebung
gelangen. Es öffnet sich ein Schreibtisch mit verschiedenen Werkzeugen zur Archivierung, zur
Beschriftung und zum Ausdruck von Meßstreifenabschnitten. Es empfiehlt sich aber, diesen Teil
der Software nicht zu nutzen und die Auswertung direkt in der Laborumgebung vorzunehmen.
Gehen Sie dabei wie folgt vor:
1. Stellen Sie Geschwindigkeitsregler und Verstärker so ein, dass die einzelnen Kontraktionen gut
sichtbar sind. Mit dem Schieberegler verschiebt man die Grundlinie so, dass sie mit einer Linie
des Meßstreifens zusammenfällt. Die Kontraktionsamplitude lässt sich dadurch besser
abschätzen.
2. Nach Erreichen eines ‘steady states’ wird der Geschwindigkeitsregler auf Null gedreht oder der
Netzschalter des Schreibers ausgestellt. Der Papiervorschub wird dadurch gestoppt und die
Messung lässt sich direkt auswerten.
3. Gehen Sie zur Bestimmung der Herzfrequenz und der Kontraktionsamplituden so vor, wie es in
Abb. 6 beschrieben ist. Bei der Amplitudenauswertung ist zusätzlich zu beachten, dass der
Verstärker an seinem Ausgang 1 mV pro 2 mm Hg liefert. Das heißt die errechneten
Amplituden in mV müssen anschließend durch Multiplikation mit dem Faktor 2 in mmHg
umgerechnet werden.
- 7-
Anzahl der Kontraktionen im betrachteten
Zeitintervall : 19
Anzahl der Kästchen im betrachteten
Zeitintervall : 15
Abb. 6: Die Auswertung des Meßstreifens (Teil II)
A) Bestimmung der Herzfrequenz
1.) Es empfiehlt sich, zwei Kontraktionsamplituden auszuwählen, die mit einer vertikalen Linie des
Meßstreifens zusammenfallen. Man zählt dann in dem so bestimmten Zeitintervall die Anzahl der
Kontraktionen (In dem hier dargestellten Beispiel sind es 19) und die Anzahl der Kästchen (hier sind es
15) aus.
2.) Anschließend errechnet man die Anzahl der Kontraktionen, die auf ein Kästchen entfallen. Wenn man
diesen Wert mit der Schreibergeschwindigkeit multipliziert, erhält man die Anzahl der Kontraktionen pro
Sekunde. (In diesem Beispiel sind es 19/15 Kontraktionen/cm x 2 cm/s = 2.53 Kontraktionen/s)
3.) Durch Multiplikation mit 60 erhält man die Herzfrequenz (In diesem Beispiel ergibt sich also eine
Herzfrequenz von 2.53 1/s x 60 s/min = 152 1/min.)
B) Bestimmung der Kontraktionsamplitude
1.) Dadurch, dass die Grundlinie mit dem Schieberegler so verschoben wurde, dass sie mit einer
horizontalen Linie des Meßstreifens zusammen fällt, ist die Abschätzung der Kontraktionsamplitude
leicht. (In dem hier dargestellten Beispiel sind es 6 Kästchen).
2.) Der ausgemessene Wert muss mit der Auflösung des Papierschreibers (hier sind es 5 mV pro
Kästchen) und dem Umsetzungsfaktor des Verstärkers (konstant 1 mV pro 2 mmHg) multipliziert
werden. (In diesem Beispiel ergibt sich also eine Kontraktionsamplitude von 6 Div x 5 mV/Div x
2mmHg/mV = 60 mmHg).
- 8-
Versuchsablauf
Im einzelnen sollen folgende Versuche durchgeführt werden:
1.
2.
3.
4.
Bestimmung der Dosis-Wirkungskurve von Adrenalin
Beurteilung der Wirkung von Acetylcholin
Beurteilung der Wirkung des Parasympatholytikums Atropin
Bestimmung der Wirkung des Betablockers Propranolol:
a. Bestimmung der Dosis-Wirkungskurve von Adrenalin in Gegenwart von 100 nmol/l
Propranolol
b. Bestimmung der Dosis-Wirkungskurve von Propranolol in Gegenwart von 1 µmol/l
Adrenalin
5. Beurteilung der Wirkung des Ca2+-Kanalblockers Verapamil
6. Beurteilung der Wirkung des Digitalisglykosides Strophanthin.
Die Konzentrationen der Wirkstoffe, die anzuwenden sind, gehen aus folgender Tabelle hervor.
Ihre Messwerte können Sie hier oder direkt in Ihrer Protokollvorlage eintragen. Die Messaufgaben
können Sie auch zwischen den einzelnen Gruppen aufteilen. Zur Bestimmung der DosisWirkungskurven sollten die Werte von mindesten drei Gruppen vorliegen.
Wichtig :
Vor Beginn und nach
Ende einer Versuchsreihe unbedingt eine
Kontrollmessung
durchführen !
Alle Perfusoren
ausschalten !
Acetylcholin-Perfusor
angeschaltet lassen !
(Konz. = 10-6 mol/l)
Alle Perfusoren
ausschalten !
Atropin-Perfusor
angeschaltet lassen !
(Konz. = 10-6 mol/l)
Applizierte
Substanz
Konzentration
[mol/l]
Kontrolle
+ Adrenalin
--1 x 10-09
1 x 10-08
5 x 10-08
1 x 10-07
5 x 10-07
1 x 10-06
5 x 10-06
1 x 10-05
5 x 10-05
1 x 10-04
5 x 10-04
1 x 10-03
Kontrolle
+ Acetylcholin
--1 x 10-07
1 x 10-06
1 x 10-07
1 x 10-06
1 x 10-05
+ Adrenalin
Kontrolle
+ Atropin
--1 x 10-07
1 x 10-06
1 x 10-08
1 x 10-07
1 x 10-06
+ Acetylcholin
Alle Perfusoren
ausschalten !
- 9-
Herzfrequenz
[1/min]
Amplitude
[mmHg]
Applizierte
Substanz
Adrenalin-Perfusor
angeschaltet lassen !
-6
(Konz. = 10 mol/l)
Alle Perfusoren
ausschalten !
Konzentration
[mol/l]
Kontrolle
+ Adrenalin
+ Propranolol
--1 x 10-06
1 x 10-09
1 x 10-08
1 x 10-07
1 x 10-06
1 x 10-05
1 x 10-04
1 x 10-03
Kontrolle
+ Propranolol
+ Adrenalin
--1 x 10-07
1 x 10-09
1 x 10-08
5 x 10-08
1 x 10-07
5 x 10-07
1 x 10-06
5 x 10-06
1 x 10-05
5 x 10-05
1 x 10-04
5 x 10-04
1 x 10-03
Kontrolle
+ Adrenalin
+ Verapamil
--10-06
10-06
10-05
10-04
Kontrolle
+ g-Strophanthin
--10-08
10-07
Acetylcholin-Perfusor
angeschaltet lassen !
-6
(Konz. = 10 mol/l)
Kontrolle
+ Acetylcholin
+ g-Strophanthin
--10-06
10-08
10-07
Adrenalin-Perfusor
angeschaltet lassen !
(Konz. = 10-6 mol/l)
Kontrolle
+ Adrenalin
+ g-Strophanthin
--10-06
10-08
10-07
---
Alle Perfusoren ausschalten ! Unbedingt
warten, bis die Kontraktionsamplitude der
Kontrolle entspricht.
Kontrolle
2.4.
Herzfrequenz
[1/min]
Amplitude
[mmHg]
Auswertung
Übertragen Sie die Messwerte in die Protokolldatei und interpretieren sie Ihre Beobachtungen.
Fertigen Sie die geforderten Graphen an. Wenn auch ein Teil der Daten gemeinsam erhoben
wurde, so sollte jeder Student die Auswertung alleine durchführen.
- 10 -
3.
Wirkungsweise der pharmakologischen Substanzen
3.1.
Adrenalin
Positiv inotroper Effekt: Adrenalin aus dem Nebennierenmark und Noradrenalin aus den
Nervenendigungen des Sympathikus binden an adrenerge β1-Rezeptoren des Arbeitsmyokards.
Über eine G-Protein-Kaskade wird die Adenylatzyklase aktiviert, was zu einem Anstieg des
intrazellulären cAMP führt. cAMP aktiviert die Proteinkinase A, die über eine Phosphorylierung des
L-Typ-Ca2+-Kanals diesen aktiviert und somit einen vermehrten Ca2+-Einstrom bewirkt. Die erhöhte
Ca2+-Konzentration bewirkt eine erhöhte Kontraktionskraft.
Positiv chronotroper Effekt: Adrenalin und Noradrenalin binden gleichzeitig an β1-Rezeptoren der
Sinusknotenzellen. Es findet auch in diesen Zellen die oben beschriebene cAMP-Kaskade statt.
Der erhöhte cAMP-Spiegel aktiviert direkt den Schrittmacherstrom If, der durch cAMP-gesteuerte
unspezifische Kationenkanäle getragen wird. Parallel kommt es wie in den Myokardzellen auch
hier zu einem gesteigerten Ca2+-Einstrom (Phosphorylierung durch Proteinkinase A). Die
Aktivierung der Schrittmacherkanäle und der Ca2+-Kanäle führt zu einer schnelleren diastolischen
Depolarisation und zu einem steileren Aufstrich des Aktionspotentials im Sinusknoten.
Abb. 7: Wirkungsmechanismus von Adrenalin
3.2.
Acetylcholin
Negativ inotroper Effekt: Der direkte Einfluss von Acetylcholin aus dem Parasympathikus ist auf die
Strukturen des Vorhofes beschränkt. Im Vorhofmyokard bindet es an muskarinerge AChRezeptoren. Dies bewirkt über ein inhibitorisches G-Protein die Hemmung der Adenylatzyklase,
wodurch der cAMP-Spiegel der Zelle sinkt und die Phosphorylierung der Ca -Kanäle durch die
Proteinkinase A verringert wird. Die Konsequenz ist ein verminderter Ca -Einstrom, was die
verminderte Kontraktionskraft erklärt.
Negativ chronotroper Effekt: Durch den hemmenden Einfluss auf die Adenylatzyklase in den
Sinusknotenzellen hat Acetylcholin eine Verminderung des Schrittmacherstromes zur Folge.
Depolarisationen werden dadurch verzögert. Gleichzeitig kommt es zu einer rezeptorgesteuerten
Aktivierung eines Kaliumkanals, was über die βγ-Untereinheit des inhibitorischen G-Proteins
vermittelt wird. Es kommt dadurch zu einem vermehrten Kaliumausstrom, was die Verschiebung
des Membranpotentials zu negativeren Werten unterstützt.
2+
2+
- 11 -
Abb. 8: Wirkungsmechanismus von Aceteylcholin
3.3.
Atropin
Atropin ist ein giftiges Alkaloid aus Nachtschattengewächsen, das in der Notfallmedizin (z.B. als
Gegengift) und in der Augenheilkunde eingesetzt wird. In hohen Dosen kann es zur Atemlähmung
führen. Es wirkt parasympatholytisch, d.h. es vermindert die Wirkung von Acetylcholin, indem es
die Bindungsstellen an muskarinartigen Acetylcholin-Rezeptoren besetzt.
Abb. 9: Wirkungsmechanismus von Atropin
3.4.
Propranolol
Propranolol gehört zur Gruppe der β-Rezeptorenblocker. Es konkurriert mit Adrenalin um die
Bindungsstelle und hat infolgedessen eine antagonistische Wirkung.
Abb. 10: Wirkungsmechanismus von Atropin
- 12 -
3.5.
Verapamil
Verapamil ist ein Ca2+-Kanalblocker. Es wirkt einerseits auf die Zellen des Myokards, wo es durch
den verminderten Ca2+-Eintritt eine Verringerung der Schlagkraft bewirkt. Außerdem führt die
Verschiebung der Membranspannung zu negativeren Werten zu einer Verringerung der
Herzfrequenz. Verapamil wirkt auch in den Blutgefäßen. Die glatten Gefäßmuskelzellen
entspannen und die Gefäße werden erweitert. Dies führt zu einer Verbesserung der Durchblutung
und zu einem verminderten Blutdruck.
Abb. 11: Wirkungsmechanismus von Verapamil
3.6.
Strophantin
Strophanthin (Ouabain) gehört zu den Digitalisglykosiden. Sie hemmen die Na+/K+-ATPase, die für
den Na+-Transport aus der Zelle heraus und den K+-Transport in die Zelle hinein verantwortlich ist.
Durch ihre verminderte Aktivität erhöht sich die Konzentration an Na+ in der Zelle. Dies vermindert
die treibende Kraft für den Na+/Ca2+Austauscher, der den Na+ Gradienten ausnutzt, um Ca2+ aus
der Zelle herauszutransportieren. Es kommt dadurch zu einer Erhöhung der Ca2+-Konzentration in
der Zelle. In einem bestimmten Konzentrationsbereich führt dies zu einer gesteigerten
Kontraktionskraft. Zu hohe Konzentrationen wirken jedoch als Zellgift.
Abb. 12: Wirkungsmechanismus von Herzglykosiden
4.
Literaturempfehlungen
 Klinke, R., Pape, H-C., Kurtz, A., Silbernagl, S. (Hrsg.): Physiologie
6. Auflage, Thieme, Stuttgart-New York, 2010 Kapitel 5: Das Herz
 Schmidt, Lang, Heckmann (Hrsg.): Physiologie des Menschen
31. Auflage, Springer, 2010 Kapitel 25: Herzerregung; Kapitel 26: Herzmechanik
 Speckmann, E-J., Hescheler, J., Köhling, R. (Hrsg.): Physiologie
5. Auflage: Urban & Fischer Verlag München, 2008 Kapitel 8: Herz-Kreislauf-Funktion
- 13 -