Histologisch gesehen besteht der Herzmuskel aus Zellen - Fasern - mit einem Durchmesser von etwa 10 Mikrometern und einer Länge von 200 Mikrometern. Die Zellen sind verzweigt und an ihren Enden durch Einlagerungsscheiben miteinander verbunden. Die Scheiben stellen durch ihre Makulae adherens eine mechanische Verbindung zwischen den Zellen her. Außerdem stellen sie aufgrund ihrer Gap Junctions, die den Durchgang kleiner Moleküle ermöglichen, eine elektrische Verbindung zwischen den Zellen her. So wird der Herzmuskel zu einem "funktionellen Synctium", das die Verbreitung von Erregungen ermöglicht.
Unter dem Lichtmikroskop zeigt der Herzmuskel eine Reihe von Querstrichen. Diese stellen die Z-Scheiben dar, die eine geordnete Anordnung von Aktinfilamenten sind, die zwei Sarkomere begrenzen. Zwischen jedem Aktinfilament befindet sich eine Anordnung von Myosinfilamenten. Das Zentrum dieser Anordnung ist in der Lichtmikroskopie als diskretes M-Band zu erkennen.
Die äußere Membran eines jeden Myozyten wird als Sarkolemm bezeichnet. Sie wölbt sich ein und bildet ein intrazelluläres Netzwerk, das mit der extrazellulären Flüssigkeit in Verbindung steht - die T-Tubuli. Die Tubuli verzweigen sich auf der Höhe der Z-Scheiben in jeder Zelle nach innen. Sie sind in den Ventrikeln stärker ausgeprägt als in den Vorhöfen. An die T-Tubuli schließt sich ein Membransystem an, das in Längsrichtung entlang der Außenseite der kontraktilen Elemente verläuft. Dies ist das sarkoplasmatische Retikulum. Seine Verbindung mit dem T-Tubulus ist nicht so geordnet wie im Skelettmuskel; die Verbindungen bestehen zwischen dem T-Tubulus und einer sarkolemmalen Membran statt zwei - Dyaden im Gegensatz zu Triaden. Zahlreiche Mitochondrien befinden sich tief im Sarkolemm.
Jeder Myozyt hat einen oder zwei Zellkerne, die zentral angeordnet sind. Die Region um den Kern ist mit Mitochondrien, Golgi-Apparat und Glykogen gefüllt. Außerdem weisen Vorhofzellen in der perinukleolaren Region Granula auf, die vermutlich atriales natriuretisches Peptid enthalten.
Die Herzzellen regenerieren sich nicht, wenn sie verloren gehen; es kommt zur Fibrose.
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