Herz

Das Herz ist das zentrale Organ des menschlichen Organismus. Durch Herzkontraktionen wird Blut in die Peripherie gepumpt und somit die Nähr-und Sauerstoffversorgung sichergestellt. Das Durchschnitts-Herz schlägt in etwa 70 mal pro Minute, 100.000 mal am Tag und rund 37 Millionen mal pro Jahr. Das Herz ist circa faustgroß, kann seine Größe und Form durch sportliches Training oder krankhafte Erscheinungen jedoch verändern. 

Anatomie

Das Herz sitzt leicht nach links versetzt hinter dem Brustbein (Sternum). Ein gesundes Herz wiegt bei Männern circa 300 Gramm, bei Frauen etwas weniger.

Aufbau

Herzaufbau
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Das Herz wird durch eine Scheidewand, das sogenannte Septum, in eine linke und eine rechte Hälfte geteilt. Jede dieser Herzhälften besteht wiederum aus zwei Hohlräumen, einem Vorhof (Atrium) und einer Kammer (Ventrikel). Somit bilden sich 4 Hohlräume im Herz:

• rechte Kammer
• linke Kammer
• rechter Vorhof
• linker Vorhof

Segelklappen

Damit das Blut nicht von der Kammer zurück in den Vorhof gelangen kann, befinden sich Segelklappen zwischen Vorhöfen und Kammern. Die Segelklappe im linken Herz, also zwischen linkem Vorhof und linker Kammer, heißt Mitralklappe. Als Trikuspidalklappe wird die Segelklappe in der rechten Herzhälfte bezeichnet. Um ein Zurückschlagen der Klappen in den Vorhof zu verhindern sind die Segelklappen durch Sehnenfäden mit den Kammerwänden verbunden.

Taschenklappen

Zwischen den Herzkammern und den daraus entspringenden Gefäßen (Aorta bzw. Pulmonalarterie) befinden sich Taschenklappen. Sie verhindern den Rückstrom von Blut aus dem Gefäß ins Herz. Die Taschenklappe zwischen Pulmonalarterie und rechter Kammer heißt Pulmonalklappe, die zwischen Aorta und linker Kammer wird als Aortenklappe bezeichnet.

Herzwand

Das Herz wird von einem bindegewebigen Herzbeutel (Perikard) umhüllt. Zwischen der äußeren Haut des Herzens (Epikard) und dem Perikard befindet sich ein kleiner Spalt, der mit Flüssigkeit gefüllt ist. Somit wird eine reibungsarme Verschiebung des Herzens ermöglicht. In einer unterhalb des Epikards verlaufenden Fettschicht befinden sich die Herzkranzgefäße.
Darunter liegt die massive Muskelschicht des Herzens, das sogenannte Myokard. Es besteht aus speziellen quergestreiften Herzmuskelzellen. Die einzelnen Muskelzellen sind netzartig miteinander verbunden und weisen den höchsten Mitochondrienanteil aller Muskelzellen im menschlichen Körper auf (ca. 30% Mitochondrien). Der Herzmuskel ist auf Grund der höheren Druckaufkommen in der linken Kammer stärker ausgeprägt als in der rechten.
Das Herz wird im Inneren vom Endokard ausgekleidet. Das Endokard besteht aus Endothel und Bindegewebe, ihm gehören auch die vier Herzklappen an. Durch das Endokard wird ein Festkleben des Blutes verhindert bzw. ein reibungsloser Blutfluss im Herz gewährleistet.

Ankommende und abführende Gefäße

Sauerstoffarmes Blut aus der Peripherie wird über die Vena cava inferior (untere Hohlvene) und die Vena cava superior (obere Hohlvene) in den rechten Vorhof des Herzens eingeschleust.
Aus der rechten Kammer entspringt die Lungenarterie (Arteria pulmonalis), sie transportiert das sauerstoffarme Blut in den Lungenkreislauf. Dort wird es mit Sauerstoff angereichert und gelangt über vier Lungenvenen (Venae pulmonales) in den linken Vorhof.
Aus der linken Kammer entspringt die größte Arterie des Körpers, die Aorta. Sie pumpt sauerstoffreiches Blut in die Peripherie.

Sauerstoffversorgung

Koronararterien versorgen den Herzmuskel mit Blut, Ansicht von vorne
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Das Herz muss selbst mit Blut versorgt werden um korrekt arbeiten zu können. Die Blutversorgung wird über die Herzkranzgefäße (Koronararterien) sichergestellt. Man unterscheidet dabei zwischen einer rechten Koronararterie (Arteria coronaria dextra) und einer linken Koronararterie (Arteria coronaria sinistra). Die linke Koronararterie versorgt unter anderem die linke Herzhälfte, die rechte Koronararterie versorgt unter anderem einen Teil des Sinuskonten und Atrioventrikularknoten.

Myokardialer Sauerstoffverbrauch

Unter Ruhebedingungen werden vom Herzmuskel rund 70% des Sauerstoffs aus dem Blut extrahiert, im Vergleich zu anderen Geweben wie dem Skelettmuskel ist dies ein relativ hoher Wert. Denn Skelettmuskeln extrahieren in Ruhe nur etwa 25% des Sauerstoffs aus dem Blut.
Steigt der Sauerstoffbedarf des Herzmuskels z.B. durch körperliche Beanspruchungen an, so wird dieser nicht über eine erhöhte Extraktion von O₂  aus dem Blut (erhöhte arteriovenöse Sauerstoffdifferenz) realisiert, sondern über eine Erhöhung des koronaren Blutflusses.

Energieversorgung

Die Energiebereitstellung im Herzmuskel läuft fast ausschließlich über das aerobe Energiesystem ab. Herzmuskelzellen haben einen sehr hohen Mitochondrienanteil und sind daher für eine aerobe Energiegewinnung prädestiniert. Das Herz kann sowohl Fettsäuren, Glucose als auch Laktat zu ATP (Adenosintriphosphat) verstoffwechseln. Akkumuliert Laktat in Folge intensiver körperlicher Belastung, so bezieht der Herzmuskel 50% seines Energiebedarfs über die Oxidation von Laktat. Bei langen, submaximalen Belastungen wird der Energiebedarf zu circa 70% über Fettsäuren gedeckt.

Erregungsbildung und Erregungsleitung

Erregungsbildung- und Leitung im Herz
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Die Erregungsbildung im Herz erfolgt autonom, also unabhängig von anderen Zentren. Man unterscheidet mehrere Zentren der Erregungsbildung, die seriell hintereinander geschaltet sind. Beim Ausfall eines Zentrums übernimmt das nachfolgende Zentrum die Impulsbildung.
Das primäre Zentrum der Erregungsbildung ist der Sinusknoten, der im rechten Vorhof lokalisiert ist. Seine Impulsfrequenz liegt bei 60-80 Schlägen/Minute.
Das sekundäre Zentrum der Erregungsbildung ist der Atrioventrikularkonten (AV-Knoten), er ist in der Wand zwischen rechtem und linkem Vorhof lokalisiert. Seine Impulsfrequenz liegt bei 40-50 Schlägen/Minute.
Das tertiäre Zentrum bilden die His-Bündel sowie die Purkinje-Fasern, ihre Impulsfrequenz liegt bei 20-40 Schlägen/Minute.

Durch die Lage der Erregungsbildungs-und leitungszentren wird die Verbreitung der elektrischen Aktivität  über das ganze Herz hinweg sichergestellt.

Phasen der Herzaktion

Die Herztätigkeit setzt sich aus einer rhythmischen Abfolge von Systole (Kontraktion) und Diastole (Erschlaffung) zusammen. Man unterscheidet zwischen vier Phasen der Herzaktion:

1. Anspannungsphase: Zu Beginn dieser Phase sind die Ventrikel mit Blut gefüllt und alle Herzklappen geschlossen. Das Herz kontrahiert isovolumetrisch (Volumen bleibt unverändert). Am Ende dieser Phase ist der Druck in der rechten und linken Kammer höher als in der Pulmonalarterie bzw. der Aorta, dadurch kommt es zu einer passiven Öffnung der Taschenklappen.
2. Auswurfphase: Es kommt somit zu einem Auswurf von Blut in die Gefäße. Zum Ende dieser Phase übersteigt der Druck in den Gefäßen den der Kammern, die Taschenklappen schließen sich.
3. Entspannungsphase: In dieser Phase sind alle Herzklappen geschlossen, der Herzmuskel (Myokard) ist entspannt. Daraufhin wird der Druck in den Kammern geringer als in den Vorhöfen, die Segelklappen öffnen sich.
4. Füllungsphase: Das Blut strömt aus den Vorhöfen in die Kammern. Die Dauer dieser Füllungsphase hängt wesentlich von der Herzfrequenz ab.

Kenngrößen der Herztätigkeit

Herzfrequenz

Die Herzfrequenz gibt an, wie viele Schläge das Herz pro Minute durchführt. Je nach Aktivierungszustand und Umweltbedingungen passt sich die Herzfrequenz an die metabolischen Bedürfnisse an. Die Herzfrequenz wird durch das vegetative Nervensystem mitgesteuert. Eine Erhöhung der Sympathikus-Aktivität führt zu einer Steigerung der Herzfrequenz, zum Beispiel beim Erleben von Stresszuständen. Ist der Körper in Ruhe und entspannt, so dominiert der Einfluss der Parasympathikus, er lässt die Herzfrequenz absinken.

Die Ruheherzfrequenz ist ein wesentlicher Indikator für die Gesundheit des Herz-Kreislauf-Systems. Die durchschnittliche Herzfrequenz liegt in etwa bei 70-75 Schlägen/Minute. Besonders ausdauertrainierte Athleten weisen eine geringe Ruheherzfrequenz auf. Herzfrequenzen von circa 50-55 Schläge pro Minute sind keine Seltenheit. Eine erhöhte Herzfrequenz bezeichnet man als Tachykardie, eine erniedrigte dagegen als Bradykardie.

Mehr über die Regulation der Herzfrequenz: Herzfrequenzregulation

Schlagvolumen

Das Schlagvolumen gibt an, wie viel Blutvolumen bei einer Herzkontraktion (Systole) aus der linken Kammer in die Aorta gepumpt wird. Das Schlagvolumen berechnet sich wie folgt:

Schlagvolumen (SV) = enddiastolisches Volumen (EDV) – endsystolisches Volumen (ESV)

Bei untrainierten Personen ist das Schlagvolumen niedriger (in Ruhe ca. 60-90 ml) als bei trainierten Personen (in Ruhe ca. 90-110 ml). Somit kommt es beim Trainierten zu einer Ökonomisierung der Herztätigkeit, da die Herzfrequenz durch ein gesteigertes Schlagvolumen gesenkt werden kann. Dies stellt einen Schonmechanismus für das Herz dar.

Herzminutenvolumen

Das Herzminutenvolumen ist die Kenngröße die beschreibt, wie viel Blutvolumen pro Minute aus der linken Kammer in die Aorta gepumpt wird. Es berechnet sich so:

Herzminutenvolumen (HMV) = Herzfrequenz (HF) x Schlagvolumen (SV)

Das HMV ist bei untrainierten und trainierten Personen in Ruhe gleich (ca. 5 Liter), unterscheidet sich bei Belastung jedoch deutlich. So erreichen Trainierte durch ein größeres Schlagvolumen höhere HMV-Werte, dies geht mit einer Verbesserung der Ausdauerleistungsfähigkeit einher.

Quellen

McArdle, W. D., Katch, F. I., & Katch, V. L. (2010). Exercise physiology: nutrition, energy, and human performance. Lippincott Williams & Wilkins.

Silbernagl, S. (2012). Taschenatlas Physiologie. Georg Thieme Verlag.

Weineck, J. (2000). Sportbiologie. 7. überarbeitete und erweiterte Auflage. Spitta, Balingen.