Funktionsweise des Herzens

Grundsätzliche Aufgaben des Herzens:

-     Aufrechterhaltung eines Blutstroms via Körperkreisläufe, welche alle Zellen in allen Körperteilen erreicht und über welchen Körperwärme durch Zirkulation verteilt wird

-    Damit erfolgt die Versorgung der Zellen mit Nährstoffen wie Sauerstoff, Zucker, Eiweiße, Fette, Vitamine, Antioxidantien, Mineralien, Spurenelemente, Hormone, Enzyme etc.

-      Und die Entsorgung der Abfallstoffe der Zellen wie Kohlendioxid, Schlacken, Harnstoff etc.

Wenn wir von unserem Herzen sprechen, meinen wir eigentlich zwei Herzen: das linke und das rechte Herz. Beide funktionieren in ihrer Arbeitsweise und Aufgabe exakt aufeinander abgestimmt zusammen und werden elektrisch gemeinsam angesteuert.

Übersicht Kontraktion des Herzens und Blutfluss

Während beide Herzkammern (Ventrikel) sich synchron zusammenziehen (0,4 sek.) und das Blut in den großen Körper- und den kleinen Lungenkreislauf pumpen, erschlaffen die beiden davor liegenden Vorhöfe zeitgleich (ebenfalls 0,4 sek.). Die Füllung der vier verschiedenen Herzhöhlen mit Blut und ihre Entleerung geschehen also in regelmäßigem Wechsel. Mit Hilfe von Klappen wird das Blut in nur eine Richtung gepumpt, wobei Taschenklappen bei der Pulmonal- und der Aortenklappe vorkommen und Segelklappen bei der Trikuspedal- und der Mitralklappe. Der Blutfluss verläuft wie folgt: Eingangsseitig von der vena cava in den rechten Vorhof, durch die Trikuspedalklappe in die rechte Herzkammer, durch die Pulmonalklappe in den kleinen Körperkreislauf, d.h. in die arteria pulmonalis und durch die Lungen zurück via der vena pulmonalis in den linken Vorhof, durch die Mitralklappe in die linke Herzkammer, dann durch die Aortenklappe in die Aorta in den großen Körperkreislauf, welcher sich wieder an der zuvor bereits genannten vena cava schließt.

Die Kontraktion des Herzens, welches wir als Pulsschlag fühlen, kommt durch das komplexe Zusammenwirken von vegetativem Nervensystem mit Sympathikus und Parasympathikus (nervus vagus), den Hormonen Adrenalin und Noradrenalin und den eigenen Steuerungsmechanismen des Herzens zustande. Auch ohne Verbindung des Sinusknotens des Herzens mit dem Kreislaufzentrum über den Nervus vagus schlägt das Herz, und zwar mit der dem Sinusknoten inhärenten Schlagzahl von 100 Kontraktionen pro Minute. Der Sympathikus bewirkt eine Beschleunigung des Herzschlages, der Parasympathikus fungiert dagegen als Bremser, der die Herztätigkeit reduziert, so dass das gesamte System immer möglich optimal am Energiebedarf funktioniert. Dieses unwillkürliche, autonome Nervensystem ist auch an der Regulierung des Blutdurchflusses durch die Blutgefäße beteiligt, indem es sie je nach Energiebedarf eng und weit stellen kann. Das Herz arbeitet unabhängig vom Verstand und Willen des Menschen, also unbewußt. Aber es reagiert sehr empfindsam auf körperliche Anstrengung und auf Gemütsregungen. Da bei emotionellen Auslösereaktionen noch kein physischer Energieverbrauch vorliegt und es doch zur vermehrten Energiebereitstellung kommt, sehen wir das bekannte "Luft ablassen müssen", das "aus der Haut fahren" oder das "Körperzittern" Symptom. Wenn wir Treppen steigen und die Beinmuskulatur für diese Tätigkeit vermehrt Energie benötigt, pumpt das Herz schneller, so dass der momentan erhöhte Energiebedarf gedeckt werden kann. Wenn wir von etwas erschreckt werden, schlägt das Herz praktisch schlagartig schneller ("das Herz pocht bis zum Hals"), um auf eine eventuelle Energiebedarfssituation sofort mit voller Stärke reagieren zu können (Kampf oder Flucht).

Grundsätzliche Funktionsweise des rechten Herzens

Das aus dem Körper zurückfließende, dunkelrote venöse Blut (ca. 75% des gesamten Blutvolumens im Gefäßsystem) sammelt sich in der rechten Herzkammer und wird von dort aus mit der Muskelkontraktion des Herzens durch die Pulmonalklappe, eine Taschenklappe, in die Lungenschlagader zur Lunge, den so genannten kleinen Kreislauf, gepumpt. Damit bei der Kontraktion, welche von der Herzspitze ausgeht, kein Rückfluss von der rechten Herzkammer in dem rechten Vorhof stattfinden kann, ist eine Segelklappe, die Trikuspidalklappe, zwischen rechter Kammer und rechtem Vorhof eingebaut. Die Pulmonalklappe, über welche das Blut in den Lungenkreislauf gepumpt wird, verhindert den Rückfluss vom kleinen Körperkreislauf in die rechte Herzkammer, welcher sonst bei der Erschlaffung des Herzens passieren würde. In den Kapillaren der beiden Lungenflügel, vollzieht sich der so genannte Gasaustausch, d.h. die Kohlensäure wird aus dem Blut abgegeben und ausgeatmet, und die Erythrozyten beladen sich mit eingeatmetem Sauerstoff (gebunden an das Eisen in den Häm’s). Dabei wird das Blut wieder hellrot (arterielles Blut, ca. 25% des gesamten Blutvolumens). Von den Haargefäßen der Lunge ausgehend sammelt sich das Blut in kleineren und größeren Gefäßen und gelangt dann über die vier Lungenvenen wieder in den linken Vorhof und in die linke Herzkammer. Die Kontraktionen der beiden Herzhälften erfolgen nicht nacheinander, sondern absolut synchron und gleichzeitig. Daraus ergeben sich der gleichmäßige Herzrhythmus und der stete Wechsel von Systole und Diastole.

Grundsätzliche Funktionsweise des linken Herzens

Im Vorhof des linken, kräftigeren Teil des Herzens sammelt sich das aus der Lunge einströmende und dort mit Sauerstoff angereicherte, hellrote Blut. Es gelangt über in den linken Vorhof durch die Mitralklappe, eine Segelklappe, in die linke Herzkammer. Die Mitralklappe verhindert einen Blutrückfluss bei der Kontraktion von der rechten Herzkammer in den rechten Vorhof. Während sich das Herz zusammenzieht - diese Phase nennt man Systole – wird mit hohem Druck das hellrote, das mit Sauerstoff und mit Nährstoffen wie Fett, Zucker sowie mit Mineralstoffen und Hormonen versehene Blut durch die Aortenklappe, eine Taschenklappe, in die 15 bis 20 Millimeter messende Aorta in den so genannten großen Körper-Kreislauf gepresst. Die Aortenklappe, eine Taschenklappe, verhindert den Rückfluss in die linke Herzkammer, welche sonst mit der Erschlaffung des Herzens passieren würde. Nach der Systole, dem Zusammenziehen des Herzmuskels, verbleibt dem Herzen eine zweidrittel Sekunde, um sich von der vorangegangenen Kraftanstrengung auszuruhen. Man nennt diese Ruhephase die Diastole. Für einen Durchfluss von Blut im großen Kreislauf auch während der Ruhephase sorgt die Aorta mit ihrer Windkesselfunktion, d.h. während das Herz Blut mit ca. 140mmHg in die Aorta austreibt "bläht" sich diese auf, nimmt damit Druck vom arteriellen Blutgefäßsystem und zieht sich dann in der Ruhephase des Herzens wieder zusammen und presst Blut in den großen Kreislauf, sodass in den Arterien ca. 120mmHg nicht überschritten werden. Bei älteren Menschen läßt die Flexibilität der Aorta und damit die Windkesselfunktion nach, sodass der Austreibdruck aus der linken Herzkammer kaum gemindert in die Arterien weitergegeben wird, wodurch ältere Menschen einen "härteren" Pulsschlag mit höherem systolischem Blutdruckwert aufweisen als junge Menschen. Die Auswurfmenge (ausgepresstes Blutvolumen aus der linken Herzkammer in die Aorta pro Herzschlag) eines gesunden jungen Menschen beträgt ca. 70 - 100 ml und dies mindert sich um bis zu ca. 20% beim älteren Menschen. Das Blut in den Koronargefäßen wird bei jedem Herzschlag komplett ausgetauscht, das Blut im großen Körperkreislauf zirkuliert alle ca. 45 Sekunden einmal.

Herzfunktion Kreislaufbetrieb

Das Herz sitzt zwischen arterieller und venöser Seite als Betreiber eines Blutkreislaufs.

Die Arterien führen vom Herzen weg und haben mit Ausnahme der arteria pulmonalis (zur Lunge) die Aufgabe sauerstoffreiches Blut zu verteilen.

Die Venen führen zum Herzen hin und haben die Aufgabe das "gesammelte" sauerstoffarme Blut zum Herz zurück zu leiten.

Von der bis zu 2 cm dicken Aorta, der Hauptschlagader, zweigen Arterien zum oberen Körper-Kreislauf ab, der Kopfregion, Gehirn und obere Extremitäten versorgt; ebenso zum unteren Körper-Kreislauf mit großvolumigen Abzweigungen zu allen Bauch-Organen und zum rechten und linken Bein. Alle Arterien verzweigen sich zu immer kleineren und dünneren Ästen (Arteriolen) bis hin zu den Kapillaren, allerfeinsten Haargefäßen, die dann noch einen Durchmesser von nur etwa 3 µm haben. Der von der Pumparbeit des Herzens ausgehende Blutdruck sorgt dafür, dass sauerstoffreiches Blut in die entferntesten Bereiche des Körpers gelangt und dort jede Zelle versorgt. Durch die dünnen Kapillarwände (nur mehr Intima, d.h. Endothelzellen, keine Muskulatur) hindurch werden Gase und Stoffe mit den umliegenden Zellen ausgetauscht, das heißt, Sauerstoff und Nährstoffe werden von den Zellen aufgenommen und Kohlensäure und Stoffwechselschlacken zurück an das Blut in den Kapillaren abgegeben. Das Kapillarblut wird wieder in den so genannten Venolen zusammengeführt und der Transport des nunmehr dunkelrot gefärbten Blutes erfolgt über die venöse Seite des Blutkreislaufs zur unteren und oberen Hohlvene bis in den rechten Herz-Vorhof und darüber in die rechte Herzkammer.

Das Herz versorgt folgende Kreisläufe mit Blut:

-     Der kleine Kreislauf (für die zwei Lungenflügel) verläuft vom Ausgang der rechten Herzkammer (Ventrikel) über die Arterie pulmonalis in die Lungenflügel (den Kapillaren in den Alveolen, wo der Gasaustausch O2 - CO2 stattfindet) und zurück über die Vena pulmonalis bis zum Eingang in den linken Vorhof. Über den kleinen Kreislauf gibt das Blut Kohlendioxid ab und wird im Gegenzug mit Sauerstoff angreichert, bevor es in den großen Kreislauf gepumpt wird.

-   Der große Kreislauf (kompletter Körper ausgenommen Lunge) verläuft vom Ausgang der linken Herzkammer über die Aorta zum gesamten Körper (ausgenommen Lunge) und zurück über vena cava superior (für Blut gesammtel aus Venen über dem Herzniveau gelegen) und inferior (für Blut gesammelt aus Venen unter dem Herzniveau gelegen) in den Eingang des rechten Vorhofs.

-   Die zwei Herzkranzgefäße (die linke und rechte arteria coronaria) werden versorgt über zwei arterielle Abgänge direkt nach der Aortenklappe von der Aorta ascendens; Der Rücklauf erfolgt über den sinus coronarius direkt in den rechten Vorhof. Die Blutversorgung der Herzmuskel mit arteriellem Blut ist dabei so, dass das Blut bei der Diastole (Entspannung, geringer Druck) aus der durch die Windkesselfunktion "aufgeblähten" Aorta fließt, nicht bei der Systole (Anspannung, hoher Druck, bei dem die Herzkranzgefäße zugedrückt sind)!

Interessante Fakten: Das Herz macht nur etwa 0,5% des Körpergewichts aus, es verbraucht dabei jedoch ca. 5% des Blutauswurfes selbst, damit es gut versorgt ist und normal funktionieren kann. Der Anteil des Herzens am Energiegrundumsatzes des Körpers beträgt dabei nur ca. 7% und es erzeugt dabei ein elektromagnetisches Feld. das etwa 100x stärker ist als jenes des Gehirns, welches einen Anteil am Energiegrundumsatz von ca. 19% hat.

Pulsschläge (Herzkontraktionen):

-          Geburt: ca. 120-140, bis 4 Jahre ca. 110, Teenager ca. 90, Erwachsener 70 Schläge pro Minute

-          Bradykardie: < 60 Schläge / Min

-          Tachykardie: > 100 Schläge / Min

Die Druckverhältnisse im Herz und im Kreislauf sind abhängig von:

-          Herzminutenvolumen (geringe Auswurfmenge pro Minute = niedriger Druck)

-          Blutvolumen (weniger Blut als normal im Blutgefäßsystem = niedriger Druck)

-          Gefäßkontraktion und Strömungswiderstand (geringere/verhinderte Gefäßkontraktion = niedrigerer Druck)

Kontraktionsdruck = Systolendruck beim Herzausgang = Aortaeingang beträgt ca. 140mmHg. Durch Windkesselfunktion Reduktion auf ca. 120mmHg; Mit zunehmendem Alter nimmt die Gefäßwandflexibilität und damit die Windkesselfunktionalität meist ab, d.h. systolischer Druck wird bei älteren Menschen schon alleine deshalb etwas höher. Ab 140mmHg Systolenwert gemessen an z.B. arteria radialis (Handgelenk) spricht die Schulmedizin von einer Hypertonie I Grades.

Diastolendruck wird durch das den Widerstand des arteriellen Blutgefäßsystems, d.h. Aorta bis eingangs zu den Arteriolen/Kapillaren, bestimmt. Dieser liegt beim gesunden Menschen bei ca. 80mmHg. Ein erhöhter diastolischer Druck verringert die Versorgung der Herzmuskeln über die Herzkranzgefäße (Abdrückung)! Ab 90mmHg Diastolendruck gemessen an z.B. arteria radialis (Handgelenk) spricht die Schulmedizin von einer Hypertonie I Grades.

Vorhofeingangsseitig bei der vena cava (rechtes Herz) soll der Blutdruck nur bei ca. 2-3mmHg liegen. Liegt dieser höher, so zeigt dies einen Rückstau ins venöse System auf, was zur Schädigung der Organe im Pfortaderkreislauf, u.a. Leber, führt.

Da die Herzkranzgefäße nicht mit dem z.B. bei Leistungssport größer werdenden Herzmuskeln mitwachsen, ergibt sich aus der Blutzuführung durch die Herzkranzgefäße einerseits und dem Blutbedarf der Herzmuskeln anderers auch ein Limit für eine kritische Herzgröße, das beim männlichen Herzen bei ca. 500g Herzmuskelgewicht liegt, beim Frauenherz etwa 10% darunter.

Die 4 Phasen eines Herzzyklus aus Sicht des Blutstroms - Übersicht:

Phase 1 = Entspannungsphase: Die erschlafften Vorhöfe füllen sich mit Blut (Info: zugleich arbeitet das Herz Phase 4 ab)

Phase 2 = Füllungsphase: Beim Zusammenziehen der Vorhöfe strömt das Blut durch die Segelklappen in die Herzkammern.

Phase 3 = Anspannungsphase: Während der Anspannungsphase der Kammern schließen sich die Segelklappen.

Phase 4 = Austreibungsphase: Beim Zusammenziehen (Systole) drücken die Kammern das Blut durch die geöffneten Taschenklappen in die Aorta bzw. Lungenschlagader, gleichzeitig beginnen die Vorhöfe sich mit Blut zu füllen.

Entspannung = Diastole = ca. 0,4 sek.

Vorhofkontraktion = ca 0,1 sek.

Austreibungsphase: Systole = Kammerkontraktion / = ca. 0,3 sek.

Die 4 Herzklappen sind grundsätzlich zu, ausgenommen die Pulmonalklappe und die Aortenklappe bei der Austreibung (Systole) und die Mitralklappe und die Trikuspidalklappe bei der Füllungsphase (Diastole).

Im Ruhezustand wirft das Herz pro Kontraktion ca. 70-100ml Blut aus, das sind ca. 5-7 Liter pro Minute. Unter Belastung sind bis zu 25 Liter / Minute möglich, was den physikalischen Grenzwert in der Herzfunktionalität darstellt, bevor Herzrasen und in weiterer Folge ein Flimmerzustand und damit ein völliges Pumpversagen eintritt.

Mit fortschreitendem Alter verliert das Herz an Kraft, bis ins höhere Alter tritt bis zu 20% Leistungsverlust ein. Der Status des so genannten Vorhofflimmerns ist beim rechten Herzen unproblematisch, führt jedoch zu einem Leistungsverlust von ca. 10% - 15%.

Ansteuerung des Herzens, Reizleitungssystem

Das Herz wird ausgehend von seiner Grundleistung, welche unabhängig vom unwillkürlichen Nervensystem durch das Herz (mittels des Sinusknotens) selbst generiert wird (100 Schläge pro Minute), in seiner Pumpleistung (d.h. Schlagzahl und Schlagvolumen) über den nervus vagus beeinflusst (vegetative Ansteuerung, d.h. unwillkürlich). Für die weitere Reizleitung innerhalb des Herzens selbst sind keine typischen Nervenzellen, sondern spezielle Herzmuskelzellen mit einer sehr hohen Anzahl von Mitochondrien zuständig (das sind quasi kleine Kraftwerke in den Zellen, welche das elektrische Potential aufbauen). Die wichtigsten Regelmechanismen sind über das Kreislaufzentrum Hypothalamus und Medulla oblongota (verlängertes Rückenmark) mittels Sympatikus (schneller) bzw. Parasympatikus (langsamer), welche Druckrezeptoren als spezielle Sinneszellen insbesondere am Aortenbogen, Karotissinus (Halsschlagader), aber auch weiteren Arterien haben, sowie die Autoregulation der Arteriolen, welche ihren örtlichen Bedarf an Blut selbst regeln (via CO2=Kohlensäureanteil, dh über Rezeptoren, welche den H+ Ionenstatus im Blut aufnehmen).

Für seine enorme Leistung (es werden etwa 7200 Liter Blut in 24 Stunden auf ca. 1,9m Höhe gepumpt) produziert das Herz auch selbst den für sich benötigten "Strom" und verfügt einerseits über ein weit verzweigtes Leitungssystem, das die Impulse für den Herzschlag übermittelt, andererseits auch vermittelt. Medium dafür ist das so genannte Mesenchym, welches bereits ab der zweiten Woche nach der Befruchtung aufgebaut wird und über welches das genetische Bauprogramm (d.h. wann welches Organ etc. wächst) für den werdenden Menschen abläuft. Dies passiert im Wesentlichen unter der Zuhilfenahme der Elektrolyte Kalium (Stromleitung) und Kalzium (Umsetzung in den Muskelzellen in eine Kontraktionsbewegung mittels der Atkin und Myosin Proteine). Am rechten Vorhof sitzt der Sinusknoten, ein kleines Nervengeflecht, das gewissermaßen der Taktgenerator und Schrittmacher des Herzens ist, und so die Grundleistung des Herzens bestimmt. Von ihm aus gehen die Impulse für den Herzschlag weiter zu tiefer gelegenen Knoten und Fasern, die zusammen das wichtige Reizbildungs- und Reizleitungssystem des Herzens darstellen. Die Impulse, die mit einer Geschwindigkeit von etwa zwei Metern pro Sekunde zu den Wänden der beiden Herzkammern geleitet werden, bewirken schließlich die Kontraktion, das Zusammenziehen des Herzmuskels und den Auswurf des Blutes in den Kreislauf. Zum Reizleitungssystem gehören außer dem Sinusknoten noch der so genannte AV-Knoten (Atrio-Ventrikular-Knoten), das HIS'sche Bündel, der rechte und die beiden linken Tawaraschenkel sowie die Purkinje-Fäden, welche die Herzspitzen erreichen, von welcher die Herzmuskelkontraktion ausgeht. Ein Ausfall in der Weitergabe des Kontraktionssignals in diesem System kann fatale Folgen haben und zum Herzstillstand führen, weshalb die Natur dafür gleich mehrere Sicherungen eingebaut hat. Fällt der nervus vagus aus (z.B. durch Herzoperation beschädigt), pumpt der Sinusknoten anstelle von ca. 60-80 Herzschlägen pro Minuten beständig mit ca. 100 Herzschlägen pro Minute. Fällt der Sinusknoten aus, dann übernimmt der AV-Knoten Impulsgeber mit ca 40-60 Herzschlägen pro Minute und fällt der AV-Knoten aus, kann das HIS'sche Bünden noch eine regelmäßige Kontraktion mit ca. 20-40 Herzschlägen pro Minute erwirken.

Erregungsausbreitung

Die Erregungsausbreitung in den einzelnen Herzabschnitten geht vom Sinusknoten aus und wird einerseits an den AV Knoten weitergegeben, andererseits wird sofort die Erregung in den Vorhöfen erwirkt, welche ca. 0,1 Sek. vor den Kammern kontrahieren. Der AV Knoten gibt ähnlich einer Relaisstation das Signal um ca. 0,1 Sek. zeitverzögert an das HIS’sche Bündel weiter, durch welche die Erregung der Kammermuskulatur über die Kammerschenkel und Prukinje Fasern erfolgt. Die Wandmuskulatur der Kammern wird dabei von innen nach außen erregt. Die Kontraktion erfolgt ausgehend von den Herzspitzen, weil der Herzbeutel (das Pericard, äußerer Herzbeutel) an dieser Stelle mit dem Zwerchfell/Rippenfell verbunden, sozusagen dort aufgehängt und damit fixiert ist.

Reizleitungssystem des Herzens

Im normalen Zustand steuert das Kreislaufzentrum im Hirn über den nervus vagus die Herzfrequenz. Jedoch kann das Herz auch ohne das Kreislaufzentrum und ohne nervus vagus selbsttätig eine Herzfrequenz erzeugen. Dazu die Details:

  • Sinusknoten (im rechten Vorhof eingangs der vena cava superior, Primärschrittmacher, normale Frequenz im Ruhezustand): ohne Ansteuerung des nervus vagus ca. 100 Schläge/min anstelle der ca. 60 - 80 Schläge/min.
  • AV-Knoten (am Boden des rechten Vorhofs dicht am Vorhofseptum, Sekundärschrittmacher, bei defekter Reizleitung): 40...50/min.
  • HIS'sches-Bündel (durchstößt das isolierende Herzskelett d.h. Bindegewebe, Tertiärschrittmacher, wenn o.g. ausfällt): 25...30/min.
  • Kammer-(Tawara)schenkel (Aussteuerung des Signals beidseits des Kammerseptums)
  • Purkinje-Fasern (geben die Erregung an die Kammermuskulatur)