background image

 

 

1

 

 

Babylon University  
College of Medicine    
Department of physiology 
Dr. Ghafil Saihood Hassan 2016 - 2017  

 

3- Electrical and mechanical events of the heart. 

 

 

Objectives: 

1-  Define resting membrane potentials of cardiac cells. 
2-  Define action potential of cardiac cells.  

     3- Describe action potential of ventricle, atria, and the purkinje system (Fast 
        response).  

4-  State the benefit of plateau to cardiac cells. 
5-  Action potential in SA node (Slow response). 
6-  Latent pacemaker. 
7-  Refractory period. 
8-  Mechanical events of left ventricle. 

Resting membrane potentials of cardiac cells:  

   The  resting  membrane  potential  is  expressed  in  milli  volts  (mV).  Intracellular 
potential  is  expressed  relative  to  extracellular  potential.  The  resting  membrane 
potential  of  cardiac  cells  is  determined  primarily  by  potassium  ions.  The 
conductance  (permeability)  to  K  ion  at  rest  is  high,  while  the  conductance  to 
sodium is low. The normal concentration of K in the cell is about 150 mM, and 
about 4 mM out the cell. While the normal concentration of Na is about 20 mM 
inside  the  cell  and  145  mM  outside  the  cell.  Myocardial  cells  have  a  resting 
membrane  potential  of  approximately  –  85,  instead  –  90  mV.  Changes  in 
membrane potential are caused by flow of ions into or out of the cell.  
Action potential of cardiac muscles: 
   The  action  potential  of  cardiac  muscle  differs  from  skeletal  muscles  in 
prolonged action potential (Plateau) and in strength of contraction (more calcium 
ions  enter  cardiac  muscle  cells  from  ECF  and  sarcoplasmic  reticulum).  
Depolarization causes the membrane potential to become less negative. It occurs 
when there is movement of positive charge (sodium or calcium ions) into the cell.  
Action potential of ventricle, atria, and the purkinje system (Fast response):  
   Action potential of single cardiac muscle cell in these tissues is characterized by 
rapid  depolarization  due  to  opening  fasting  sodium  channels  and  a  slow 
depolarization during a plateau. The action potential duration is long, varies from 
150 ms in the atria to 250 ms in the ventricle to 300 ms in purkinje system and 
consequently the long refractory period. The resting membrane potential in these 
tissues is stable. The initial depolarization is due to Na ion influx through rapidly 
opening Na ion channels. The Ca ions influx through more slowly opening Ca ion 
channels  produces  the  plateau  phase,  and  repolarization  is  due  to  K  ion  efflux 
through three types of K ion channels. 


background image

 

 

2

 

 

The action potential has five phases: 
1- Stage 4
 (Resting membrane potential); the membrane potential is stable, inward 
and outward currents are equal. The resting membrane potential about (- 90 mV). 
Resting membrane potential of cardiac cells is determined primarily by potassium 
ions.                                                                                                                                
 2- Stage 0 (Rapid depolarization); this is caused by opening of voltage-gated fast

 

     Na channels (it open for short time only). The opening of fast Na channels  

 change the action potential from –85 mV to + 20 mV. These channels are self 
inactivating. Their conductance is controlled by two different gates, active gate, 
open quickly at threshold potential producing the sudden rise in Na permeability 
inactive  gate,  begins  to  close  at  same  time  as  active  gate  open  but  moves  less 
quickly. It inactivate channel automatically after a few milliseconds. 

     3- Stage 1 (Early repolarization or spike); It is caused by the closure of Na 
     channels, chloride ions influx, and outward current of K ion (transient outward K 
     ion current). 

4-stage  2  (Plateau);  Plateau  will  prevent  myocyte  from  repolarization.  It  is 
caused  by  the  passage  of  Ca  into  cell  through  the  slowly  voltage  gated  Ca 
channels. They   open when the cell depolarized beyond –35 mV (during rapid 
depolarization). 
5-Stage 3 (Delay repolarization); at late of plateau most of the Ca and Na ions 
channels  are  inactivated.  The  repolarization  is  due  to  net  K

+

  efflux  through 

multiple types of potassium channels. See figure (11). 
 

 

Figure (11): Action potential of ventricular cardiac cell (Fox 2006). 

 
The benefits of plateau to cardiac cell are:  
A- It will prolong the duration of excitation (absolute refractory period).  
B- Prolong the  duration  of high  cytoplasm Ca concentration,  so it increase  the 
force of cardiac muscle contraction.  


background image

 

 

3

 

 

c- It gives more time that all cardiac cells can be activated together and contract 
as one unit in the atria and ventricles. 
Action potential in SA node (Slow response):
  
The  resting  membrane  potential  of  the  sinus  node  is  about  -60  millivolts  in 
comparison  with  -85  millivolts  for  ventricular  muscle  fibers.  The  cause  of  this 
lesser negativity is that the cell membrane of sinus fibers is leaky to sodium ions. 
It has four phases: 
Stage  4  (Pre-potential  or  pacemaker  potential):  SA  node  called  pacemaker 
because it can generate an action potential spontaneously.  
   Action potential in pacemaker tissue decline from – 60 mV to – 40 mV (called 
prepotencies).  The  1

st

.  2/3  of  pacemaker  potential  is  caused  by  Na  ion  influx 

through  the  activated  Na  channels,  the  last  1/3  is  due  to  Ca  ion  influx  through 
transient type Ca channel. 
Stage 0: It is due to opening of long lasting type Ca cannel, that causes Ca ion 
influx, and open at action potential –40 mV. The fast Na channels are not opened 
because  at  –40  mV,  they  are  not  active.  This  is  why  stage  0  takes  longer  time 
than that of atria and ventricle. 
Stage 1 and 2:
 Stage 1 (spike) is not seen in pacemaker potential while stage 2 
(plateau) is much shorter. 
Stage  3  (
Repolarization):  It  is  caused  by  K  efflux  through  outward  K  current 
channels. See figure 12. 
 

 

 Figure (12): Action potential of SA node.  

 
Latent pacemaker:  
   The  cells  in  the  SA  node  are  not  the  only  myocardial  cells  generate  action 
potential  automaticity;  other  cells  called  latent  pacemakers  which  include  the 
cells of the AV node, bundle of His and Purkinje fibers. They have driving the 
heart rate only if the SA node is suppressed.   
Refractory period: 
1- Absolute refractory period (ARP): It is the period during which the 
membrane can not be re-excited by an outside stimulation whatever the level of 


background image

 

 

4

 

 

external voltage applied. It is prolong in cardiac cell due to presence of plateau. It 
occurs in phase 0, 1, 2 and half phase 3 until membrane reaches approximately – 
50 mV during repolarization.

 

2- Relative refractory period (RRP): It is the time during which action potential 
can be generated with stimulus larger than normal. See figure 13.

  

Figure (13): Refractory periods. ERP: the effective refractory period. ARP: 

The absolute refractory period. RRP: The relative refractory period

  

Mechanical events of left ventricle:

 

Figure 14 shows the different mechanical events (normal function) of left 
ventricle during cardiac cycle: It is divided into four phases:                                 
 1- phase I: Period of filling.                                                                     

 

2- Phase II: period of isovolumic Contraction.

  

 3- Phase III: period of ejection.

  

 4- Phase IV: Period of isovolumic relaxation. 

 

Figure (14): Left ventricular function loop (Hall, 2016)     

  

 

The filling of the ventricle which is  about (120-130 ml) is called end  diastolic 
volume
. The ventricle empties about 70 ml only stroke volume. The remaining 
volume  (50-60  ml)  is  called  end  systolic  volume.  Stroke  volume  differs 
depending on age and size of body.  


background image

 

 

5

 

 

Ejection fraction = Stroke volume/ end diastolic volume, which is the fraction 
of the end-diastolic volume that is ejected. 
Normal ejection fraction of left ventricle (55-80%), right ventricle is (45%). 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Ahmed monther Aljial
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 137 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل