Herzfrequenz: Physiologie, Pathophysiologie und Klinik

Die Herzfrequenz bestimmt hauptsächlich mit, wie viel Blut in einer bestimmten Zeit durch den Körper gepumpt werden kann. Dass diese Frequenz variabel und vom Körper regulierbar ist, ist enorm wichtig für die Anpassung des Kreislaufs an bestimmte äußere Umstände. Beim Sport reguliert der Körper die Herzfrequenz physiologischerweise nach oben, um die Durchblutung der Muskulatur und den Sauerstofftransport zu steigern. Dieser Artikel zeigt wie dieser physiologische Prozess abläuft und was passiert, wenn dieser nicht mehr optimal funktioniert.

Herzfrequenz – Definition

Die Herzfrequenz bezeichnet die Anzahl der Herzschläge pro Minute. Sie gibt an, wie oft das Herz in einer bestimmten Zeit schlägt und wird in Schlägen pro Minute (bpm) gemessen. Eine normale Ruheherzfrequenz liegt in der Regel zwischen 60 und 100 bpm, wobei sie bei körperlicher Aktivität, Stress oder Aufregung ansteigen kann.

Herzfrequenz – Physiologie

Damit das Herzschlagen kann, muss es dazu erregt werden. Die Erregungsleitung entsteht im Sinusknoten, der im Bereich des rechten Vorhofes lokalisiert ist. Dieser generiert ein Aktionspotenzial in einer Frequenz zwischen 60 und 80 pro Minute und ist damit der primäre Taktgeber der Herzfrequenz. Anschließend wird von ihm aus auch das Vorhofmyokard erregt, damit es kontrahieren kann. Vom Sinusknoten aus läuft die Erregung zum sogenannten Atrioventrikular-Knoten (AV-Knoten), der auch im rechten Vorhof liegt, im Koch-Dreieck. Er ist der sekundäre Schrittmacher der Herzfrequenz mit einem Takt von 40-50 pro Minute. Die erhaltene Erregung vom Sinusknoten wird im AV-Knoten verzögert, um die Vorhof- und Kammerkontraktion nicht gleichzeitig ablaufen zu lassen. Auf die Kammern wird das Signal nach der Verzögerung über das His-Bündel weitergeleitet, das durch das Trigonum fibrosum dextrum des Herzskeletts läuft. Das His-Bündel ist der tertiäre Taktgeber der Herzfrequenz und kann eine Frequenz von 30-40 pro Minute vorgeben.

Von dort aus wird die Erregung an die Tawara-Schenkel in den Herzkammern weitergeleitet, die sie dann über die Purkinje-Fasern von der Herzspitze zur Herzbasis an die Herzmuskelzellen übertragen, die damit das Signal zur Kontraktion bekommen. Diese Art der Erregungsleitung im Herzen hat die Funktion die Herzaktion geregelt ablaufen zu lassen.

Doch wie genau regulieren diese Taktgeber des Erregungsleitungssystems die Frequenz, in der das Herz pumpt?

Regulation der Herzfrequenz

Die Schrittmacherzellen des Sinusknotens depolarisieren spontan. Das Herz kann also unabhängig schlagen. Dieses Schrittmacherpotenzial entsteht durch das Öffnen sogenannter Funny-Channels oder HCN-Kanäle. Diese sorgen bei Öffnung für den Einstrom von verschiedenen Kationen und damit eine Depolarisation der Zellmembran von -60 Millivolt (mV) auf etwa -40 mV.

Spannungsabhängige Cacium-Kanäle öffnen sobald die Spannung auf -40 mV gestiegen ist und sorgen für den Einstrom von Calcium-Ionen in die Schrittmacherzelle, wodurch deren Potenzial weiter steigt, bis auf +20 mV. Sobald die Calcium-Kanäle dies erreicht haben, schließen sie wieder und Kalium-Kanäle öffnen, lassen Kalium aus der Zelle ausströmen und das Potenzial sinkt wieder auf -60 mV. Da aber die HCN-Kanäle direkt bei dieser Hyperpolarisation wieder öffnen, gibt es in den Schrittmachern kein richtiges Ruhepotenzial und die Erregung kann unabhängig stattfinden.

Dennoch können die Schrittmacherzellen von außen beeinflusst werden. Katecholamine (wie Adrenalin oder Noradrenalin) erhöhen in Zellen den Spiegel an zyklischen Nukleotiden (z.B. cAMP), welche auch die HCN-Kanäle aktivieren können. So erhöhen hohe intrazelluläre Spiegel an cAMP die Öffnungswahrscheinltichkeit von den HCN-Kanälen und damit auch die Herzfrequenz. Dies ist die Wirkung des sympathischen Nervensystems und wird als positiv chronotrop bezeichnet.

Das parasympathische Nervensystem dagegen hemmt mittels Acetylcholin über komplexe Kopplungen die Synthese von cAMP und damit die Öffnungswahrscheinlichkeit der HCN-Kanäle. Somit kann Acetylcholin die Herzfrequenz senken. Dies wird als negativ chronotrope Wirkung bezeichnet.

Wann muss der Körper die Herzfrequenz ändern?

In verschiedenen Situationen muss der Körper die Blutversorgung einzelner Organe erhöhen. Ein prominentes Beispiel für eine solche Situation ist vermehrte körperliche Belastung, wie sie bei sportlicher Betätigung zu beobachten ist. Die Muskulatur hat einen erhöhten Bedarf an Nährstoffen und Sauerstoff und muss Stoffwechselprodukte wieder loswerden. Außerdem muss über die Alveolen der Lunge vermehrt Sauerstoff auf die Erythrozyten geladen werden. Dies wird nur durch das Erhöhen des Herzzeitvolumens erreicht, also die Menge Blut, die das Herz in einer bestimmten Zeit (z.B. einer Minute) durch den Körper pumpt. Ein Mechanismus dafür ist die Steigerung der Herzfrequenz.

Geht der Körper aus der Belastung in einen wieder ruhigeren Zustand über, kann die Frequenz des Herzens wieder über parasympathische Regulationsmechanismen gesenkt werden.

Herzfrequenz – Pathophysiologie und Klinik

Eine zu hohe Herzfrequenz in Ruhe ist ab etwa 100 Schlägen pro Minute zu beurteilen und wird als Tachykardie bezeichnet. Schlägt das Herz zu langsam, also unter 50-60 Schlägen die Minute, wird dies Bradykardie genannt. Diese beiden Zustände sind in der Regel auf verschiedene Krankheiten zurückzuführen und als Herzrhythmusstörungen zu betrachten.

Menschen, die in ihrem Leben viel Sport bzw. Ausdauersport treiben oder getrieben haben, haben unter Umständen eine geringere Herzfrequenz in Ruhe als die Durchschnittsbevölkerung. Das liegt daran, dass sie sich über Jahre ein größeres Herz antrainiert haben, das mehr Volumen pro Schlag pumpen kann. Deshalb brauchen diese Menschen auch weniger Schläge, um genauso viel Blut pro Minute zu pumpen, wie Untrainierte.

Messen der Herzfrequenz

Die Herzfrequenz kann manuell oder mit elektronischen Geräten gemessen werden. Bei der manuellen Pulsmessung legt man zwei Finger (Zeige- und Mittelfinger) auf eine Pulsstelle, beispielsweise am Handgelenk (Arteria radialis) oder am Hals (Arteria carotis). Anschließend zählt man die Schläge für 15 Sekunden und multipliziert das Ergebnis mit 4, um die Schläge pro Minute (bpm) zu erhalten.

Alternativ kann die Herzfrequenz mit elektronischen Messgeräten bestimmt werden. Smartwatches und Fitness-Tracker nutzen optische Sensoren, während Brustgurte die Herzfrequenz besonders genau über elektrische Impulse messen. Auch viele Blutdruckmessgeräte zeigen die Herzfrequenz an. Die Messung sollte im Ruhezustand, idealerweise morgens nach dem Aufwachen, erfolgen. Auch EKG-Geräte errechnen die Herzfrequenz aus der gemessenen Erregung des Herzens. Diese gibt jedoch nicht die tatsächliche Auswurfleistung des Herzens wieder, sondern nur die elektrische Erregung des Herzens.

Medikamente und Drogen

Diverse Medikamente und andere Substanzen können die Herzfrequenz beeinflussen. Die in der Kardiologie gerne eingesetzten Betablocker hemmen die β1-Rezeptoren am Herzen und sorgen so für eine Inhibierung der Wirkung von Adrenalin und Nordadrenalin, die normalerweise die Herzfrequenz erhöhen. Betablocker können also unter anderem die Frequenz, in der das Herz schlägt, senken. Amphetamine steigern indirekt die Wirkung von Noradrenalin sowie Adrenalin und können so zu tachykarden Herzrhythmusstörungen führen. Sie zählen zu den Drogen.

Atropin hemmt den Einfluss von Acetylcholin auf das Herz und kann so die Herzfrequenz steigern, was bei bradykarden Herzrhythmusstörungen zum Einsatz kommen kann.