心筋細胞と活動電位の関係とはー心臓の収縮とイオン

心臓の収縮では、通常、刺激伝導系によって電気刺激が伝わって行われます。

しかし、その過程にはイオンの働きも大きく関わっているのです。少し難しい話にもなりますが、心電図や心臓について勉強しているのならば、ぜひ覚えておきたいことですね。

筋肉とイオン

基本的に筋肉は電気刺激によって動きます。

そして、電気刺激を受けた際にイオンの働きがあって活動電位が変化することによって、筋肉の収縮と拡張が行われます。

※活動電位とは、筋肉が収縮する際に細胞膜上で起こる膜電位の変化を言います。
元々はマイナスの膜電位であるものを、イオンの働きでプラスへと変化させることで筋肉が収縮します。(心筋では－90mVのマイナス電位が保たれています。)
この電位は、絶対数の多いナトリウムの濃度が大きく影響します。そのため、ナトリウムの多い細胞外はプラス、ナトリウムの少ない細胞内はマイナスの膜電位となります。

筋肉には、平滑筋と横紋筋(骨格筋と心筋がありますね。
骨格筋や平滑筋では、ナトリウムイオン（Na⁺）とカリウムイオン（K⁺）で活動電位が行われますが、心筋ではナトリウムとカリウムの他に、カルシウムイオン（Ca⁺）も加わって行います。
なぜカルシウムが必要なのかは後で説明しますね。

骨格筋・平滑筋での活動電位

骨格筋や平滑筋での活動電位についてです。

1.電気刺激が伝わると「電位依存性ナトリウムチャネル」というNa⁺専用のドアが開き、細胞内に大量のNa⁺が流入します。
2.Na⁺が大量に入ることにより膜電位が上昇(プラスに向かう)し、隣接する筋細胞へと電気刺激を伝えます。
3.こうして電気刺激が伝導することにより筋収縮が起こります。
4.K+が細胞外へと流出し筋収縮は、電気刺激の減退と共に、減退していきます。
5.Na⁺が細胞外へ流出し膜電位が元に戻ります。そして1へと繰り返します。

このような順番で収縮が行われています。

心筋での活動電位

心筋の活動電位は第0～4相に分けて形成されています。

第0相：電気刺激が伝わると、電位依存性ナトリウムチャネルが開きNa⁺が細胞内へ流入します。それにより、膜電位がプラスに向かいます。(脱分極)

第1相：Na⁺が細胞内に流入し膜電位がプラスとなると電位依存性ナトリウムチャネルは閉じ、Na⁺の細胞内への流入が停止します。その際、一過性にK⁺が流出するためわずかに膜電位が下降します。

第2相：Ca⁺の細胞内流入とK⁺の細胞外流出により一定の電位を保ちます。

第3相：Ca⁺の細胞内流出は停止し、K⁺が細胞外へ流出することにより急速に膜電位が下降します。(再分極)

第4相：K⁺の細胞外流出が停止し、K⁺を細胞内に戻しながらNa⁺・Ca⁺が細胞外へ流出することにより静止電位(－90mVのマイナス電位)に戻ります。

そして、また第0相へと繰り返します。

用語の説明

1. 分極：細胞内(-)と細胞外(+)で電位の差があることを示しています。
2. 脱分極：第0相のように細胞内の電位がプラスに転じることで、電位の差がなくなってしまうことを示しています。分極を脱するという意味です。
3. 再分極：脱分極の状態で第3相のように、再び細胞内外で電位の差が生じ分極へと戻ることを示します。ちなみに心電図では、この再分極がＴ波として現れます。

心筋の活動電位では、なぜCa⁺が必要か

心臓で血液を全身に送り出すためには、一瞬の「ギュッ」というような収縮では効率よく行うことができません。「ギューーー」というような持続的な収縮があることによって効率よく血液を送り出すことができます。

Ca⁺を活動電位の際に利用することで、心臓が持続的に収縮することができるのです。