Vor mehr als einem Jahrhundert entdeckten zwei Physiologen, Otto Frank und Ernest Starling, dass das Herz während der Diastole mit mehr Blut gefüllt wird, Es zieht sich härter zusammen und pumpt während der Systole mehr Blut aus. Also haben sie sich das Frank Starling-Gesetz ausgedacht, um diese Beziehung zu erklären.
Um diese Beziehung zu verstehen, zoomen wir in die Wand der Ventrikel. Der Großteil dieser Wände besteht aus kurzen, verzweigten Herzmuskelzellen, die nebeneinander gepackt sind., Wenn wir weiter hineinzoomen, sehen wir, wenn wir in die Muskelzellen schauen, Bündel von Myofibrillen oder lange Ketten von Sarkomeren. Das Sarkomer ist die kleinste Struktur im Muskel, die kontrahieren kann, so dass es als die grundlegende kontraktile Einheit des Muskels betrachtet wird. Der Sarkomer hat zwei Z-Scheiben, die seine Grenze bilden, und eine M-Linie in der Mitte. An der Z-Scheibe sind dünne Filamente aus Aktinprotein befestigt. Diese Aktinfilamente haben eine strukturelle Polarität, was bedeutet, dass beide Enden des Filaments unterschiedlich aussehen., Wir können es uns wie einen Pfeil vorstellen, wobei das spitze Ende das „Minus-Ende“ ist, das auf die M-Linie zeigt, und das hintere Ende ist das „Plus-Ende“, das an der Z-Scheibe befestigt ist. Genau wie ein Pfeil kann sich das Aktin-Filament nur in eine Richtung bewegen: in die Richtung, auf die es gerichtet ist. An der M-Linie sind die Myosinfilamente befestigt, die dicke Bündel von Myosinproteinen mit zwei Kugelköpfen sind. Während einer Muskelkontraktion greifen die Myosinköpfe auf die Aktinfilamente und ziehen sie in Richtung der M-Linie, die die beiden Z-Scheiben näher zusammenbringt.,
Insgesamt hängt die Menge der entwickelten Spannung oder die Kraft der Muskelkontraktion während der Systole von der Anzahl der Myosinköpfe ab, die an Aktin binden. Und diese Zahl hängt direkt von der Länge des überlappenden Abschnitts zwischen Aktin-und Myosinfilamenten ab. Die Länge des überlappenden Abschnitts hängt von der Gesamtlänge des Sarkoms ab. Und die Länge des Sarkoms hängt davon ab, wie viel Blut den Ventrikel während der Diastole füllt – denn das beeinflusst, wie ausgestreckt die gesamte Muskelwand und jedes Sarkomer darin ist., Diese Beziehung wird als Herzlängen-Spannungs-Beziehung bezeichnet und kann durch dieses Diagramm mit der Sarkomerlänge oder dem ventrikulären enddiastolischen Volumen auf der x – Achse und der Spannung oder dem Druck, die sich innerhalb des Ventrikels während ihrer Kontraktion oder Systole entwickelt, auf der y-Achse dargestellt werden.
Stellen wir uns also vor, dass die Ventrikel größtenteils leer sind und fast kein Blut darin sind. Dies würde bedeuten, dass die Muskeln in der Ventrikelwand nicht gedehnt werden, so dass die Länge der Sarkome wirklich kurz ist., Bei dieser Länge werden die beiden Z-Scheiben nahe aneinander gezogen und es gibt nicht viel Platz für eine weitere Kontraktion. Weiterhin kreuzen die Aktinfilamente von jeder Seite des Sarkomers die M-Linie und überlappen sich. Da Aktin nur in eine Richtung gezogen werden kann – zur Mittellinie hin -, muss Myosin das Aktin-Filament mit der richtigen strukturellen Polarität befestigen und ziehen: die, die in die gleiche Richtung zeigt wie die, die das Myosin zieht. Wenn sich also die Aktinfilamente überlappen, wird verhindert, dass Myosin durch das Aktinfilament von der anderen Seite mit der falschen Polarität an sein eigenes Aktinfilament bindet., Infolgedessen werden nur sehr wenige Myosin-Aktin-Attachments hergestellt und die Zellen können sich während der Systole nur sehr schwach zusammenziehen. In der Grafik können wir in der Nähe des Ursprungspunkts sehen, dass die kurze Länge der Myokardfasern einer geringen Kontraktionskraft entspricht.
Wenn sich die Ventrikel mit mehr Blut füllen, das durch die Venen zurückkehrt, werden ihre Wände immer mehr gestreckt und das streckt auch jedes einzelne Sarkom in den Muskelzellen aus., Dies bedeutet, dass es mehr Platz und keine Actin-Überlappung gibt, wodurch mehr Myosinköpfe richtig mit Actin interagieren und dadurch während der Kontraktion mehr Kraft oder Spannung erzeugen können. Wenn wir uns die Grafik ansehen, würde sich unsere Kurve mit zunehmender Kraft stetig nach oben bewegen, da das Volumen zunimmt. Diese Dehnung kann weitergehen, bis sie einen maximalen Punkt überschreitet, woraufhin die Dinge zu ausgestreckt werden. Dies bedeutet, dass die Z-Discs so weit voneinander entfernt sind, dass es nur geringe Überschneidungen zwischen Aktin-und Myosinfilamenten gibt und Aktin von Myosin außer Reichweite kommt., Infolgedessen gibt es eine verringerte Anzahl von Myosinköpfen, die es schaffen, sich an Actin zu befestigen und es in Richtung der M-Linie zu ziehen. Dies führt zu einer verminderten Kontraktionskraft, so dass die Kurve wieder abfällt.