Jak działa serce?

Bez wątpienia wiele osób wie, że serce jest jednym z najważniejszych narządów w organizmie człowieka. Narząd ten, będący częścią składową szeroko pojmowanego – układu krążenia wchodzi wraz z nim w tzw. triadę przeżyciową. Pojęcie to, jest zarezerwowane dla trzech, najważniejszych układów w organizmie człowieka, tj.: układu nerwowego, układu oddechowego oraz układu krwionośnego. W tym artykule opiszę budowę mięśnia sercowego oraz charakter jego pracy. Zapraszam do lektury.

                  Serce, a właściwie mięsień sercowy, jest to narząd, który znajduje się w śródpiersiu za mostkiem i w założeniu fizjologicznym większa jego część znajduje się po lewej stronie ciała od płaszczyzny pośrodkowej. To, co potrafi zaskoczyć np. studentów medycyny podczas sekcji zwłok to wielkość mięśnia sercowego. Powszechnie, w opinii publicznej, przyjęto założenie, że wielkość mięśnia sercowego danego człowieka odpowiada wielkości jego zaciśniętej w pieść dłoni. Założenie to, nie zawsze jest słuszne, bowiem w przebiegu liczny stanów chorobowych wielkość (ale także inne parametry jak np. ciężar) serca może ulec zmianie (np. w przebiegu hemochromatozy  czy kardiomiopatii przerostowej). Znane są także przypadki tzw. dekstropozycji serca, a więc sytuacji, gdy narząd ten zlokalizowany jest bardziej po prawej stronie ciała (od płaszczyzny pośrodkowej). Dekstropozycja, jak się kiedyś okazało, dawała dużą satysfakcję wyznawcom voodoo, gdy w czasie parad halloween jedna z osób została postrzelona w okolicę serca a mimo to przeżyła. Całe zajście było także zagadką dla lekarzy, dopóki nie odkryto, że postrzelony wcale nie ma serca po lewej stronie ciała, lecz po prawej. 

Podając za profesorem B. Gołąb oraz profesorem W.Z Traczykiem masa mięśnia sercowego przeciętnie wynosi: u mężczyzn od 280 do 340 g, a u kobiet od 230 do 280 g. Przeciętne wymiary serca są następujące:       długość: od 12 do 15 cm; wymiar poprzeczny: od 9 do 10 cm; wymiar przednio-tylny: od 6 do 9 cm. Z czego wynika względnie duża różnica pomiędzy przeciętną masą mięśnia sercowego? Masa tego narządu zależy od masy ciała oraz stopnia rozwoju układu mięśniowego. Dlaczego akurat od stopnia rozwoju układu mięśniowego? Ponieważ w ujęciu histologicznym serce jest mięśniem zbudowanym z tkanki mięśniowej poprzecznie prążkowanej mięśnia sercowego. Ćwicząc na siłowni (ogólnie: uprawiając ponadprzeciętną aktywność fizyczną) nie tylko zyskujemy na wzroście i rozwoju mięśni szkieletowych, lecz także na wzroście i rozwoju serca, co ma istotne znaczenie z punktu widzenia wydolności krążeniowo – oddechowej organizmu. Badania dowodzą, że im serce jest lepiej rozwinięte (poprzez aktywność fizyczną) tym pracuje wolniej, lecz z większą siłą tłoczy krew na obieg.

Budowa histologiczna mięśnia sercowego

                 W ujęciu histologicznym, jak już wcześniej zostało to wspomniane, serce zbudowane jest z tkanki mięśniowej poprzecznie prążkowanej. Mimo ogólnej przynależności tego narządu do mięśni, cechuje się ono wieloma niezwykłymi dla tej grupy struktur w naszym organizmie (mięśni) szeregiem cech. Poniżej zaprezentowane są preparaty histologiczne tkanki mięśnia sercowego pod różnym powiększeniem.

W wielu podręcznikach przedstawia się tylko przekrój podłużny (jak powyżej) tkanek mięśniowych, ale jak wygląda przekrój poprzeczny tkanki mięśniowej poprzecznie prążkowanej serca?

Na poniższym schemacie zaprezentowano przekrój poprzeczny poprzez tkankę budującą serca z powiększeniem 40 – krotnym. Warto dodać także, że wykonanie preparatu mikroskopowego przekroju poprzecznego dysponując jedynie skalpelem i własnymi zdolnościami manualnymi jest o wiele razy bardziej trudniejsze aniżeli wykonanie preparatu przekroju podłużnego. W przekroju poprzecznym ważne jest, aby oglądany fragment składał się z jak najmniejszej liczby warstw komórek, a najlepiej gdyby było to pojedyncze pasmo komórek!

Analizując wprawnym okiem powyższe preparaty tkanki mięśnia sercowego można rzec, że we włóknach mięśniowych obecna jest zmienna liczba jąder komórkowych, jednakże zakres wahań nie jest duży i oscyluje pomiędzy 1 a 2 jądrami komórkowymi we włóknie mięśniowym. Jądra komórkowe ułożone są centralnie we włóknie mięśniowym, a nie obwodowo jak na przykład w tkance mięśniowej poprzecznie prążkowanej szkieletowej. Ponadto same włókna mięśniowe na przekroju poprzecznym mają wymiar zbliżony do okręgu/elipsy, nie są wrzecionowato zakończone jak na przykład włókna mięśniowe mięśni gładkich. To co jest charakterystyczne dla tkanki poprzecznie prążkowanej serca to fakt, że włókna te rozgałęziają się, a w ich budowie obok poprzecznego prążkowania (widocznego jako rezultat różnej czynności optycznej światła na elementach aparatu kurczliwego mięśnia) charakterystyczne są dyski interkalarne.

Specjalizacja tkanki poprzecznie prążkowanej serca i związane z nią funkcję

Nic w otaczającym nas świecie nie jest dziełem przypadku. Wszystko spełnia jakieś określone funkcje i ma istotne znaczenie na przebieg procesów życiowy już na poziomie komórkowym. Znając specjalizacje tkanki budującej centralny narząd układu krwionośnego przeanalizujmy po kolei, w jaki sposób wspomagają one funkcjonowanie mięśnia sercowego:

Prążkowanie – aby skurcz serca był wystarczająco energiczny i mógł przepchnąć krew przez naczynia krwionośne obiegu dużego i małego, około 20% objętości kardiomiocytu zajmują miofibryle, czyli białkowe elementy odpowiedzialne za skurcz serca. Ich ścisłe upakowanie w pęczki w połączeniu z ich zdolnościami do różnego załamywania światła obserwujemy jako prążki. Obecność prążków świadczy ponadto o wysokim stopniu uporządkowania położenia miofibryli.

Wstawki (dyski interkalarne) i synapsy elektryczne  – nieszczelne elektrycznie połączenia między komórkami umożliwiają rozprzestrzenienie się fali aktywności elektrycznej przez mięsień sercowy bez pośrednictwa nerwów i skomplikowanych procesów aktywacji. Dlatego mięsień sercowy jest syncytium czynnościowym. 

Rozgałęzienia – w czasie trwania skurczu mięśnia sercowego istotna jest jego koordynacja, a więc leżące obok siebie kardiomiocyty muszą kurczyć się w sposób niemal synchroniczny, co zapewniają rozgałęzienia włókien mięśniowych.

Liczne mitochondria – w sercu nie ma mowy o powstaniu długu tlenowego (w warunkach fizjologicznych!), gdyż w ogóle nie występuje faza spoczynku, w trakcie trwania której ów dług mógłby być spłacony. Praca serca oparta się więc wyłącznie na metabolizmie tlenowym, który pozwala wytworzyć znaczą ilość ATP – niezbędnego do skurczu. Aby móc wytwarzać wysoką ilość ATP potrzeba silne rozwiniętej obecności mitochondriów, w których zachodzi cykl Krebsa i fosforylacja oksydacyjna.

Słabo rozwinięta siateczka sarkoplazmatyczna – w mechanizmie skurczu mięśnia obecne są jony wapnia (potrzebne do zapoczątkowania skurczu). Pochodzą one z płynu pozakomórkowego, a wnikają do komórki przez kanały wapniowe obecne w błonie komórkowej.

Topografia mięśnia sercowego

Serce człowieka znajduje się w śródpiersiu środkowym za mostkiem. Tak naprawdę nie posiada ono wyspecjalizowanych struktur (np. zbudowanych z tkanki łącznej), które odpowiadałyby za jego względnie stabilną pozycję. Narząd ten utrzymywany jest w swoimi położeniu przez kilka struktur, które je otaczają, a więc przez płuca, przeponę oraz szereg dużych naczyń krwionośnych, tworzących w górnej podstawie serca tzw.: krzyż żylny (żyły płucne oraz żyły główne). Ponadto serce w 2/3 swojej wielkości znajduję się po lewej stronie ciała od płaszczyzny pośrodkowej ciała, natomiast pozostała jego część znajduje się po prawej stronie. Mięsień sercowy położony jest w klatce piersiowej lewoskrętnie, a więc wynika z tego, iż bardziej do przodu (w stronę mostka) musi być wystawiona jego prawa część, tj. prawy przedsionek oraz prawa komora. Dla wyobrażenia sobie tej sytuacji wystarczy, że sami przekręcimy swoim tułowiem lekko w lewą stronę, a zauważamy, że bardziej do przodu wysunięty jest prawy bark aniżeli lewy. Oś serca (linia łącząca środek podstawy serca ze środkiem jego koniuszka) tworzy z osią podłużną kąt 45°. W stosunku do kręgosłupa serca leży na wysokości rozpiętej pomiędzy 4 kręgiem piersiowego a 8 kręgiem tego samego odcinka kręgosłupa (Th4 – Th8).

Budowa anatomiczna mięśnia sercowego

W tym artykule temu zagadnieniu nie będziemy przypisywać dużo miejsca. Problematyka związana z budową anatomiczna mięśnia sercowego skupia się tak naprawdę do indywidualnej pracy z atlasem anatomicznym i tylko kwestią ambicji jest zakres poznania budowy mięśnia sercowego. Chcąc jednak być kompleksowym, bardzo zwięźle przedstawię anatomię serca, jak gdyby chcąc mieć czyste sumienie ku temu, aby wśród naszego społeczeństwa było jak najmniej osób niemających podstawowej wiedzy o tym, jakże przecież ważnym narządzie dla naszego życia. Podstawowe informacje o rzeczonym narządzie przedstawia poniższa tabela.

* przedsionek lewy + przedsionek prawy

** komora lewa + komora prawa

*** zastawki półksiężycowate + zastawki przedsionkowo-komorowe

Aktywność bioelektryczna serca a EKG

W obrębie mięśnia sercowego możemy mówić o jego aktywności bioelektrycznej. Całość zagadnienia sprowadza się na poziomie histologicznym do wyjątkowych przystosowań tkanki budującej mięsień sercowy (o tym nieco wyżej w artykule) do jego pracy a na poziomie fizjologicznym do cyklu pracy serca, których obejmuje trzy, ściśle zależne od siebie fazy, tj.: skurcz przedsionków -> skurcz komór oraz pauzę (fazę spoczynkową). Pełny cykl pracy serca trwa około 0,8 sekundy. Poniżej prezentuję pomiary czasu trwania danej fazy cyklu pracy mięśnia sercowego w założeniach nie patologicznych:
SKURCZ PRZEDSIONKÓW – 0,11 [sek.]

SKURCZ KOMÓR – 0,30 [sek.]

FAZA SPOCZYNKOWA (PAUZA) – 0,4 [sek].
Co możemy wydedukować na podstawie powyższych danych? Oprócz oczywistych rzeczy, jak np. faktu, że skurcz przedsionków jest krótszy od skurczu komór możemy także postawić wniosek, iż faza spoczynkowa serca zajmuje około 50% całego czasu trwania cyklu pracy mięśnia sercowego. Jakie ma to znaczenie?  Fakt ten ma ogromne znaczenie nie tylko dla samego serca, ale także dla naszego zdrowia i życia przynajmniej z dwóch powodów:

Ad. 1 W fazie spoczynkowej, w aspekcie histologii, mięsień sercowy czynnościowo i fizjologicznie pozostaje w rozkurczu. Rozkurcz nie wiążę się ze zużywaniem energii i jest fazą bierną. Serce wówczas mówiąc najprościej – odpoczywa (faza relaksacji). Chroni to ten narząd przed nadmierną eksploatacją przy i tak trudnych warunkach pracy, bo przecież pracy ciągłej, przez całe życie człowieka (średnio w całym życiu człowieka serce uderza 2 500 000 000 razy!

Ad. 2 Ponadto w omawianej fazie, krew z żył głównych oraz żył płucnych wypełnia jamy przedsionków. Wypełnienie jam przedsionków ma klucze znaczenie dla prawidłowej cyrkulacji krwi w organizmie człowieka.

Znając już znaczenie fazy spoczynkowej dla mięśnia sercowego łatwo można oszacować konsekwencje zaburzenia jego pracy sprowadzające się np. do przyspieszenia pracy mięśnia sercowego (tachykardia). Zauważ, że przyspieszenie czynności akcji serca wiążę się ze zmniejszeniem czasu trwania poszczególnych jego faz. Wygenerowanie potencjałów elektrycznych, które doprowadziłyby do depolaryzacji błony komórkowej kardiomiocytów (zapoczątkowując jednocześnie skurcz przedsionków czy komór) ma miejsce w układzie bodźcowo – twórczo – przewodzącym serca. W skład tego układu wchodzą przynajmniej 4 elementy obecne w sercu, tj.: węzeł zatokowo – przedsionkowy (w ścianie prawego przedsionka, ewolucyjna pozostałość zatoki żylnej), węzeł komorowo – przedsionkowy (na granicy części przedsionkowej a komorowej serca), pęczek Hisa (i jego odnogi, odpowiednio na lewą i prawą część serca: odnoga lewa oraz odnoga prawa) oraz włókna Purkinjego. Można zadać sobie pytanie, w jaki sposób dochodzi do czasowego rozdzielenia skurczu serca (najpierw skurcz przedsionków, a później skurcz komór) skoro odpowiedzialny za to potencjał elektryczny jest wytworzony czasowo w jednym momencie? Odpowiedzią na to pytanie jest fakt, iż węzeł przedsionkowo – komorowy opóźnia impuls elektryczny płynący z węzła zatokowo – przedsionkowego. Ma to nieposzlakowane znaczenie dla fizjologi przynajmniej z dwóch powodów:

Ad. 1 Pozwala na czasowe rozdzielenie skurczu przedsionków od skurczu komór.

Ad. 2 Pozwala to na całkowite opróżnienie przedsionków a całkowite wypełnienie się komór krwią przed ich skurczem.

EKG – krótki rys historyczny, jak odnieść zapis elektrokardiografu do faktycznej pracy mięśnia sercowego?

Badanie EKG jest nam wszystkim doskonale znane. W wielu przypadkach medycznych jest to jedno z najważniejszych badań prowadzących do postawienia słusznej diagnozy. Mówiąc lakonicznie EKG jest wyrazem faktycznej czynności bioelektrycznej mięśnia sercowego. U podstawy tego jak w dzisiejszych czasach wygląda to badanie i przy pomocy czego jest wykonywane leżą lata wielu prób na skonstruowanie odpowiedniego urządzenia. Lata te wysłane są nazwiskami wielu konstruktorów – fizjologów, którzy poszukiwali sposobu na zbadanie czynności mięśnia sercowego. Można by tutaj wymienić wiele nazwisk, lecz pewne ograniczenia na to nie pozwalają. Wyróżnimy tylko jedną postać, a jest nią – Willem Einthoven (studenci medycyny na pewno znają wiele eponimów związanych z tym nazwiskiem).

W. Einthoven był holenderskim fizjologiem i histologiem. Opracował teorię pola elektrycznego generowanego przez serce. Badał efekt projekcji prądów czynnościowych serca na powierzchnię ciała człowieka. Jego pasja doprowadziła ostatecznie do tego, że w roku 1924 za odkrycie mechanizmu pracy elektrokardiogramu otrzymał nagrodę Nobla. Poniżej znajduje się aparat do badania EKG konstrukcji Einthovena.

Współczesna metodyka badania EKG nie jest tak skomplikowana i sprowadza się przede wszystkim do prawidłowego umieszczenia elektrod na powierzchni ciała pacjenta. Oprócz klasycznego badania EKG istnieje ponadto EKG wysiłkowe oraz EKG typu Holter. W celu większego zrozumienia istoty badań elektrokardiograficznych i ich przełożenia na rytm naszego serca należ zapoznać się z niższą grafiką.

Dlaczego nowotwory rzadko dosięgają serce? 

Niemal, że codziennie, w środkach masowego przekazu, czy po prostu „na ulicy” da się usłyszeć hasło: nowotwór tudzież rak. Ludzie wymieniają pospolicie nowotwór mózgu, rak szyjki macicy, białaczka etc., ale rzadko kto mówi o nowotworze serce i nie jest to bynajmniej kwestia tabu. Czy w świetle aktualnej wiedzy medycznej istnieje w ogóle coś takiego jak nowotwór serca? Oczywiście, że tak. Ba! Znane są nowotwory złośliwe serca, jak na przykład mięśniakomięśniak prążkowanokomórkowy. Mięśniaki z kolei to ta grupa nowotworów, które rozwijają się z tkanek miękkich, główne – mięśni. Częstość tego nowotworu podaje się na mniej niż 0,1% i najczęściej mamy z nim do czynienia u dzieci  w wieku do 5 lat, niemniej medycyna zna przypadki, gdy ów nowotwór pojawiał się w przedziale wiekowym 15-19 lat. Być może część z Państwa zapyta, dlaczego właśnie ten nowotwór został w tym artykule wyróżniony? Odpowiedź jest prosta, jest to jedyny, znany pierwotny nowotwór serca, a więc taki, który nie dosięga mięśnia sercowego jako efekt przerzutów z innej części ciała (np. z płuc). Co jednak takiego ma w sobie nasze serce, że tak trudno poddaje się nowotworzeniu? Oczywiście wiele argumentów pada pod kątem genów i dziedziczenia (np. obciążenie genetyczne po jednym z rodziców) – jest to słuszne, ale bardzo oklepane stąd nie będziemy poświęcać temu należytej uwagi. Skupimy się na tkance tłuszczowej. W naszym organizmie znajduje się szereg pewnych mechanizmów, które chronią nas przed kancerogennym wpływem wielu substancji chemicznych oraz negatywnym wpływem wielu czynników fizycznych (jak np. promieniowanie UV). Substancje, które mogą indukować u nas powstanie grupy komórek, których stopień czynności proliferacyjnej (podziały komórkowe) będzie bardzo wysoki i nie będzie zależny od naszej woli wpływają przede wszystkim na geny supresorowe, których pierwotnym zadaniem jest ochrona nas przed rozwojem nowotworu. Jeżeli substancja trująca znajdzie się w tkance tłuszczowej i spowoduje mutację genów w materiale genetycznym komórek da to im (komórkom) bazę do wejścia na drogę nowotworzenia. Chcąc ugruntowania słuszności założenia, iż to tkanka tłuszczowa ma decydujący wpływ na rozwój nowotwór pozostawiam do wyłącznej odpowiedzi Państwa jedno pytanie: dlaczego mężczyźni nie chorują na raka piersi, natomiast kobiety tak? (zaznaczmy, że jedyna różnica pomiędzy piersiami mężczyzn, a kobiet [w ujęciu nie fizjologicznym] sprowadza się to ilości tkanki tłuszczowej]). W sercu nie znajduje się zbyt wiele tkanki tłuszczowej, a ponadto jest ono zamknięte w worku osierdziowym.