The effect of the duration of the action potential on contraction in the mammalian heart muscle

Zusammenfassung

Es wird eine Methode beschrieben, die es ermöglicht, das Membranpotential der Fasern eines kleinen Trabekels des Arbeitsmyokards des rechten Herzens von Katzen-, Hunden- und Schafsherzen zu klemmen und die mechanische Spannung des geklemmten Muskelareals isometrisch zu messen. In einer Reihe von Versuchen wird der Verlauf des Stromes im Muskeltrabekel geprüft und sichergestellt, daß die Spannungsklemme das Membranpotential aller Fasern des Präparates gleichmäßig ändert. Mit dieser Anordnung wird das Aktionspotential auf beliebige Werte verkürzt und die Wirkung der Verkürzung auf die isometrische Spannung mit folgendem Ergebnis untersucht:

• 1. Die isometrische Kontraktion wird schwächer, wenn das Aktionspotential, das normalerweise 500 ms (bei 25° C) lang dauert, auf 200 ms (gleich der Dauer bis zum isometrischen Maximum) und weniger verkürzt wird. Dabei lösen die ersten 50 ms des Aktionspotentials 2/3 bis 3/4 der isometrischen Spannung aus. Verkürzung des Aktionspotentials nach 150 ms beeinflußt den weiteren Verlauf der Kontraktion nicht mehr.

• 2. Bei Erhöhung der extracellulären Ca-Konzentration löst der Beginn des Aktionspotentials (1–50 ms) absolut und relativ mehr Spannung aus.

• 3. „Aktionspotentiale“ von 1 ms Dauer oder weniger führen nicht zur Entwicklung mechanischer Spannung.

• 4. Die Änderung der mechanischen Spannung erfolgt gegenüber der Änderung des Membranpotentials mit Verzögerung. Das trifft sowohl für den Einsatz der Entwicklung der mechanischen Spannung bei kurzen „Aktionspotentialen“ (1–20 ms) als auch auf das Ende der Spannungsentwicklung bei späteren Verkürzungen des Aktionspotentials zu (nach 20–100 ms).

• 5. Es besteht eine S-förmige Beziehung zwischen der Dauer vom Beginn bis zum Maximum der isometrischen Kontraktion und der Dauer des verkürzten Aktionspotentials.

• 6. Verlängerung des „Aktionspotentials“ mittels Spannungsklemme verändert die Kontraktion nur dann, wenn das Membranpotential auf positiveren Werten als − 25 mV gehalten wird. In diesem Falle ist die Erschlaffung des Muskels nicht vollständig. Bei anhaltender Membrandepolarisation auf positive Werte hält die mechanische Spannung an. Sie kann bei entsprechender Depolarisation (ca. +50 mV) größer werden als die isometrische Kontraktion. Die Beziehung zwischen der mechanischen Spannung und dem Membranpotential bei anhaltender Depolarisation wird dargestellt (Fig. 10).

• 7. In Summationsexperimenten (verkürztes Aktionspotential, unmittelbar gefolgt von einem normalen Aktionspotential) konnte keine größere Spannung als das isometrische Maximum erzielt werden.

Die Beziehung zwischen Membranpotential und mechanischer Spannung wird diskutiert.

Summary

A method is described to control the membrane potential in preparations of mammalian myocardium, and to measure tension simultaneously. The following observations are made:

• 1. The potential in the segment of the preparation bathing in Tyrode's solution (1 mm or less), is uniformally clamped, i.e. over its whole length and cross sectional area.

• 2. Shortening of the action potential by “abolition” can only alter the time course and amplitude of contraction within the first 200 ms of the action potential (duration ca 500 ms at 25° C).

• 3. Tension develops rather rapidly within the initial 50 ms of depolarization, thereafter the increment of tension accompanying longer depolarizations progressively decreases. Increasing the extracellular concentration of calcium increases the relative tension development within the early periods.

• 4. Short depolarization of 1 ms or less did not produce detectable tension.

• 5. An S-shaped relationship was found to exist between the duration of the action potential and the duration from the beginning to the maximum of contraction.

• 6. Prolongation of the action potential tends to maintain tension if the membrane is depolarized to a value above threshold for the maintenance of tension (ca. −25 mV).

• 7. Tensions larger than the isometric contraction are obtained when the membrane potential is brought to and maintained at positive potentials (+30 mV or more).

• 8. Summation of the mechanical action of shortened action potentials and of anode break excitations never yielded more tension than a single normal action potential.

A discussion of the relationship between the action potential and contraction in cardiac muscle is included.